2016 Fiscal Year Annual Research Report
Highly-sensitive NMR imaging by quantum control of diamond
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15H03996
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
早瀬 潤子 (伊師潤子) 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50342746)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 研究員 (50392684)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子計測 / スピントロニクス / 結晶工学 / ダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ダイヤモンド中の窒素－空孔ペア（NVペア）に局在した電子スピンを、「量子核磁気共鳴（NMR）センサー」として利用し、超高感度・高空間分解能NMRイメージングを実現するための基盤技術を開発することを目的とする。目的を達成するために、平成28年度は（1）ダイヤサンプル作製と光学・スピン特性評価、（2）NMRイメージングのためのパルス光検出磁気共鳴（ODMR）イメージング装置開発を並行して行なう。
（1）に関しては、微細加工テンプレート基板と窒素ドープ同位体制御化学気相成長法を組み合わせる手法を用いてダイヤモンドサンプルを複数作製・評価し、NVペアの特性がどのように変化するか詳細に調べた。その結果、基板に施した溝加工内に選択的に配向方向のそろったNVペアを生成することに成功した。また溝内のNVペア密度や配向率、コヒーレンス時間が、溝の幅・深さや溝加工方向、化学気相成長に用いる窒素ガス濃度によって変化することを見出した。この結果、センサー感度を決めるNVペア密度とコヒーレンス時間の積を最適化するためのサンプル作製条件を決定することができた。サンプル作製と並行して、NVペアの空間分布を考慮したセンサ感度の理論計算を進め、センサ感度を最適化するためのサンプル形状を決定した。これらの成果は、NVペアセンサの感度を向上させる上で、重要な成果である。
（2）に関しては、構築したODMRイメージング装置を改良することで、パルスODMRイメージングが可能となった。パルスODMRの一種であるラビ振動、ラムゼー干渉を測定することに成功し、これらを利用した磁場イメージングのデモンストレーションを行なった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
サンプル作製、装置構築ともに、当初の計画通り順調に進んでいる。テンプレート基板作製に関しては、従来の集束イオンビームに加え、反応性イオンエッチングを用いた加工も可能となった。これにより、集束イオンビーム加工では難しかった大面積加工が可能となり、NVペアの配列を大面積に生成することができた。ただし両者の加工法によって、最終的に生成されるNVペアの特性が異なることが見出された。基板初期形状の違いによるものだと思われるが、さらに詳しく調査中である。装置構築に関しても、パルスODMRイメージングが可能となり、順調に進捗している。特に空間均一性が高く、サンプル設置が容易なマイクロ波アンテナを装置に組み込んだことで、実験が効率的に行なえるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
サンプル作製に関しては、NVペア密度がまだそれ程高くないことから、引き続き作製条件の最適化を進めるとともに、イオン注入やアニーリングを導入して、NVペアの高密度化を目指す。その際、NVペアの配向率の変化を注視する必要がある。コヒーレンス時間の改善に向けては、成長条件（温度など）を最適化することで、化学気相成長の間に結晶中に取り込まれる窒素原子密度とNVペア密度の比（NVペア生成効率）を向上させる。パルスODMRイメージングに関しては、NMRイメージングに向けてより弱い信号を取得する必要があるため、光学シャッターの導入などにより信号S/Nを向上させる工夫をする。また核スピンからの信号は弱く測定が困難であるため、まず原理実証のためにより信号の強い電子スピンを検出することを目指す。
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Research Products
(15 results)
