ダイヤモンド表面にナノ量子センサーを自由に配置・測定する手法の開発

• Project/Area Number: 21K13866
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Kanazawa University (2022); Kyoto University (2021)
• Principal Investigator: 林 寛 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 特任助教 (50826691)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: ダイヤモンドNV中心 / 量子センサー / レーザー加工 / 近接場

Outline of Research at the Start

量子センサーとして精力的に研究が行われているダイヤモンド中NVセンターを、ダイヤモンド表面に自由に配列する手法を開発する。そのために、高強度光パルスを金属ナノ構造に照射することで生じる局所電場を用いて、ダイヤモンド表面をナノスケール精度で加工する技術を確立する。確立した技術によってダイヤモンド表面へのコヒーレンス時間の長い単一NVセンターの作製、またそのスピン状態の高感度検出を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

NVセンターの電子スピンは室温で長いコヒーレンス時間(2 ms以上)を持ち、スピンの初期化、操作、測定が可能である。このような特徴を持つNVセンターを用いてダイヤモンド外部の少数核スピンを対象としたナノスケールNMRの研究が盛んにおこなわれている。このようなセンシング技術開発には、NVセンターの電子スピンと対象の核スピンとの強い相互作用が必要となる。このため、NVセンターの電子スピンと対象核スピンの距離を短くする必要があり、ダイヤ表面にNVセンターを生成することが望まれている。
本研究では表面NVセンターを再現性良くナノスケール分解能で作製する手法の確立し、さらに表面NVセンターを配列することを目標としている。この目標達成のため、フェムト秒レーザーによるダイヤモンド加工技術に着目し、研究開発を行った。
本年度は、昨年度に開発した加工装置を用いてさらなる極小加工を目指した。具体的にはレーザーエネルギーなどの条件などを精密に制御することにより、最小で幅約60 nm,深さ原子層レベルの加工が達成された。このような加工部への新たなダイヤモンド層の埋め込み成長を行った。その結果、加工穴が綺麗に埋め込まれることで、原子平坦面に戻すことが可能となった。これにより昨年度と比較すると、さらなる微小な加工と、加工部への埋め込み技術を確立したため、埋め込んだNVセンターの評価を行った。しかし埋め込み膜中NVセンターと基板中NVセンターの区別が難しく、埋め込み部NVセンターの評価が困難であった。
これらを踏まえて、現在埋め込み部への高濃度NVセンタードープ技術と、原子平坦でなおかつ表面平坦なダイヤモンド試料の作製技術の開発を行い、また、加工技術のさらなる高精度化を検討している。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

ダイヤモンドのナノ加工技術と、加工部への埋め込み技術は開発することが出来たが、埋め込み層のNVセンターと基板内NVセンターの区別が現状難しい。

Strategy for Future Research Activity

CVD成長の条件を精査し、加工前の原子平坦ダイヤモンド層に窒素不純物が入らない条件を探すと共に、埋め込み部に高濃度のNVセンターが作製されるガス比率を検討する。
また、並行して固溶反応とレーザーを組み合わせた新たなダイヤモンド加工法を検討する。

Research Products

• [Patent(Industrial Property Rights)] 加工装置、加工方法 (2021)
  • Inventor(s): 廣理英基, 金光義彦, 林寛,水落憲和,森下弘樹,西川哲理
  • Industrial Property Rights Holder: 廣理英基, 金光義彦, 林寛,水落憲和,森下弘樹,西川哲理
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021