量子センサによるスピンダイナミクスの可視化手法の開発
| Project/Area Number |
22K03524
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐々木 健人 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (90883504)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 量子センシング / 磁気共鳴 / ダイヤモンド / 六方晶窒化ホウ素 / スピントロニクス |
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| Outline of Research at the Start |
固体中の電子スピンが相互作用することで多彩な磁性が現れる。この多彩な磁性を捉えるために、磁気力顕微鏡、磁気光学カー効果、ブリルアン光散乱、中性子散乱、ミュオンスピン回転、核磁気共鳴など、数多くの測定法が開発されており、それぞれの利点欠点に応じて使い分けられている。本研究では、他の手法を圧倒する高い空間分解能で磁場や温度を定量的に測定できる量子センサに注目し、ミクロな磁気ダイナミクスを直接検出する技術開発を行う。この新原理の精密磁場イメージング手法を典型的な磁性材料に対して適用し、その応用を検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、色中心を量子センサとして利用した磁気ダイナミクスのイメージング手法を開発することである。2023年度は、(1)磁性体、(2)超伝導体、(3)マイクロ波のイメージング、(4)温度測定における機械学習の利用、(5)光学収差の影響、(6)新規量子センサの開発、(7)幾何学的量子操作の実証、(8)スピン多体系における量子効果の理論的検証などについて研究を行った。 (2,3,6,7,8)に関しては論文が採択された。(1,4,5,6)に関しては論文を投稿または準備中である。(1,2,3,4,5,6)は、磁気ダイナミクス測定の実証やその性能向上に関わる実績である。(7,8)は、センサ自体やその周辺のスピンにおける興味深いダイナミクスを明らかにした実績である。
(1)では、磁気光学カー効果と量子センサでの同時に磁性体の磁壁移動を動画として取得して比較した。実験条件や解析方法を工夫してフレームレートを向上させた。また、スピン波伝搬のイメージングに成功した。現在はその振幅の定量的な解析を進めている。(2)では、センサの不均一性を抑制し、超伝導量子渦の定量的な磁気イメージングに成功した。(3)では、広帯域なマイクロ波イメージングを高感度化する手法を実証した。(4)では、温度測定において機械学習を適用した。従来法よりも測定条件にロバストな推定であるという結果も得られている。(5)では、ダイヤモンドによって生じる光学収差が感度や分解能へ与える影響を調査し、イメージングに適切な基板の薄さを決定した。(6)では、量子トンネル遷移を100%に近い確率で起こす幾何学的量子操作を実証した。(7)では、窒素同位体濃縮が六方晶窒化ホウ素中の量子センサの性能を向上することを示した。(8)では、パルス制御を利用する動的核スピン偏極において、その性能が多体効果で制限されることを指摘した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
磁壁、スピン波、超伝導のイメージングを順調に発展させられただけでなく、複数の論文が採択されたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度では、磁気ダイナミクスのイメージングの実証を引き続き行う。現在有するイメージング技術を用いて、反強磁性体の磁区や、電流や温度による超伝導体量子渦の移動を調査する予定である。反強磁性体に関しては共同研究グループとサンプル作製が進行中である。超伝導体のデバイス加工もできてきており、順次、量子渦や電流分布のイメージングを行う予定である。また、電流自体や電流が関わる磁気ダイナミクスの観測に向け、微細構造中の電流のイメージング手法も検討を進める。鉄ゲルマニウムテルルやグラファイトなどの薄膜のデバイスをダイヤモンド表面の上に作製する状況を念頭に、その電流や磁性のイメージングを行う上で適切なセンサや実験装置を設計する。その中で、ダイヤモンドや六方晶窒化ホウ素の同位体濃縮や不純物密度の制御によって磁場感度をさらに高める予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(57 results)
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[Journal Article] Magnetic field imaging by hBN quantum sensor nanoarray2023
Author(s)
Kento Sasaki, Yuki Nakamura, Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Kensuke Kobayashi
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Journal Title
Applied Physical Letters
Volume: 122
Issue: 24
Pages: 244003-244003
DOI
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Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Magnetic imaging of magnetic film using h-BN quantum sensor2023
Author(s)
Moeta Tsukamoto,Hao Gu,Yuki Nakamura,Takuya Iwasaki,Shu Nakaharai,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Masashi Kawaguchi,Masamitsu Hayashi,Kento Sasaki,Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (SpinCamp2023)
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Organizer
日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
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[Presentation] ナノ精度配置した量子センサによる磁場イメージング2023
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佐々木健人,中村祐貴,顧豪,塚本萌太,中払周,岩崎拓哉,渡邊賢司,谷口尚,小川真一,森田行則,小林研介
Organizer
日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
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[Presentation] hBN量子センサによる磁性体薄膜の磁気イメージング2023
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塚本萌太,顧豪,中村祐貴,中払周,岩崎拓哉,渡邊賢司,谷口尚,河口将志,林将光,佐々木健人,小林研介
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日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
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[Presentation] Magnetic field imaging by hexagonal boron nitride quantum sensor nanoarray2023
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Kento Sasaki,Yuki Nakamura,Hao Gu,Moeta Tsukamoto,Shu Nakaharai,Takuya Iwasaki,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Shinichi Ogawa,Yukinori Morita,Kensuke Kobayashi
Organizer
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FoPM Symposium (Ito international research center, The University of Tokyo, Japan, February 6-8, 2023)
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CLEO-PR 2022 (Sapporo Convention Center, Hokkaido, Japan & online, July 31 - August 6, 2022)
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Ryusei Okaniwa, Yuichiro Matsuzaki, Tatsuma Yamaguchi, Hideyuki Watanabe, Norikazu Mizuochi, Norio Tokuda, Yuta Nakano, Kensuke Kobayashi, Kento Sasaki, Junko Ishi-Hayase
Organizer
MRS Fall 2022 (Online & Boston, USA, November 27 - December 1, 2022)
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