2017 Fiscal Year Annual Research Report
ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥を用いた核磁気共鳴センシング
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17J05890
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
佐々木 健人 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子センシング / 核磁気共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、従来法では実現困難なナノ・マイクロスケールの高空間分解能の核磁気共鳴・イメージングを実現し、ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥(NVセンター)を用いた分子構造解析の基盤技術の開発であり，最終的には，同位体ダイヤモンド中の表面近傍に位置するNVセンターを用いて，外部分子中のプロトンや炭素同位体の核スピン検出を目指している．このダイヤモンドを用いた量子センシングは世界的に研究されており，競争が激しい分野である．
分子の構造を解析するためには，分子を構成する原子の種類と位置を特定する必要がある．まずは，交流磁場や核磁気共鳴に対応した装置やプログラムを実装し，交流磁場，ダイヤモンド内の単一核スピン，ダイヤモンド外の核スピンアンサンブルの検出に成功した．また，先行研究で示された，核スピンの歳差運動を時間ドメインで計測し，通常の検出手法では観測されてしまう倍波のような曖昧さが無い核種判定方法の再現にも成功した．さらに，交流シグナルの時間的な位相相関の検出に基づいた新規の交流磁場検出法である量子ヘテロダインの再現を行い，約2 MHzのシグナルを0.3 mHzという超高周波数分解能で検出することにも成功した．これらの交流磁場，核スピン検出に関する内容は専門学術誌Journal of Applied Physicsに掲載された．さらに，核スピン検出に関する内容に加えて，超微細相互作用の強度解析と先行研究の第一原理計算との比較による核スピンの位置決定に関する報告をSpin-RNJ Symposium 2017 (2018年3月)，第65回応用物理学会春季学術講演会(2018年3月)においてポスター発表した．
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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
目標達成のためには，核スピンの検出に加え，核種の判定、位置解析技術が必要である．
核スピンの検出には，周期的なマイクロ波によるロックイン検出法であるダイナミカルデカップリング法，核種の判定には，2回のダイナミカルデカップリング法による相関測定，位置解析技術には超微細相互作用の解析を用いた．
核スピンの検出手法や核種の判定の検証を行うために，天然比の炭素同位体13Cを含む高純度ダイヤモンド試料と化学気相成長法で作成した同位体ダイヤモンド薄膜に油を付着させた試料を用いた．単一13C，NVセンターの15N，アンサンブルプロトンのシグナルを検出，判別することに成功した．また，油中のプロトン濃度から，NVセンターの深さ(20nm)の解析，評価に成功した．また，相関測定の結果から，単一13Cの超微細相互作用を解析し，先行研究で示された超微細相互作用の第一原理計算結果と比較して，ダイヤモンド格子における核スピンの位置(距離r，極角θ)の特定に成功した．残るパラメータである方位角φを測定するためのラジオ波回路の作成を行った．加えて，当該年度中に報告がされた，超高周波数分解能と感度を達成可能な，交流磁場検出法である量子ヘテロダイン法の再現にも成功した．当初目標としていた，同位体試料の評価やラジオ波回路の作成に加え，有望な新規手法の再現まで達成したため，当初の計画以上に進展したといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
核磁気分極とラジオ波を用いた独自の核磁気共鳴検出法により，単一13C位置の方位角φを測定する．これまでの距離r，極角θの推定と組み合わせて，外部核スピンの検出など，一般的に用いることの可能な，核スピンの3次元位置解析技術を確立する．必要となるマイクロ波パルスを用いたロバストな動的核磁気分極法の検証や，ラジオ波照射と組み合わせた，選択励起実験を行い，単一核スピンの操作を検証する．これらの手法を用いて，量子ヘテロダイン法と核磁気共鳴の高分解能，高感度化を行う．ノイズとなる13Cを排除した同位体ダイヤモンド中のNVセンターと量子ヘテロダイン法を組み合わせて，外部分子の検出実験を試みる．このような超微細相互作用を用いたイメージング技術を確立することで，外部から傾斜磁場を印加する必要がなく，非常にシンプルかつ，ロバストな実験を行うことが可能である．
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