2018 Fiscal Year Annual Research Report
Room temperature quantum simulator of diamond surface nuclear lattice
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18H03870
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山崎 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 招聘研究員 (80358241)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徳田 規夫 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (80462860)
水落 憲和 京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311)
波多野 睦子 東京工業大学, 工学院, 教授 (00417007)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子シミュレータ / ダイヤモンド / 窒素空孔ペアー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンドの点欠陥の一つである負の電荷をもつ窒素空孔ペアー（NV-）は、スピン１の三準位状態を持ち、炭素原子であることなどが理由で、スピン緩和時間が室温でも長く、光による初期化が可能など、特徴ある光学・スピン状態を有している。このNV-の光検出磁気共鳴を用いることにより、NV-と周囲の核スピンとの間の磁気的相互作用を検出することができる。一方、ダイヤモンド表面を完全平坦面であるように作製する技術を、我々のグループでは有しており、水素（1H）終端やフッ素（19F）終端、また、酸素終端など制御することができる。
本課題は、ダイヤモンド表面付近（数nmから数10nm程度）にNVセンタを作成し、その電子スピン共鳴信号に重なる表面修飾された原子による核スピンによる磁気的相互作用を検出する。表面原子核をキュービットとし、その信号をNV-を通して検出する量子シミュレータを構築することを目的としている。
本年度は上記構造を作成するための、シミュレータ構造作製プロセスを構築するとともに、信号の検出を行った。構造作製に関しては、原子レベル完全平坦面をノンドープダイヤモンドによって作製し、その後水素プラズマエッチングで表面に数ナノから数10ナノメートルの粗さを括り付ける。その後、窒素ドープしたダイヤモンド膜によりその荒れた面を平坦に戻す。この手法により作成したNV中心は表面付近のみに存在する。このようすを、原子間力顕微鏡により、逐次観測し、確認することができた。本構造を用い、共焦点顕微鏡により、NV-センタの観察を行った。その結果、単一のNV中心の存在を確認することができた。
現状では、個々のNV-センタの深さを測定により得ることができなかったが、今後、表面に電子スピンなどを有する原子を付加することにより、計測によってもその深さを得る予定である。
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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
世界初のユニークな、ダイヤモンド表面付近でのNV-作成方法であり、最先端ダイヤモンド薄膜成長技術を用いた手法である。精緻な技術を必要とするチャレンジングなテーマであると考えている。
今年度は、ダイヤモンド表面の完全平坦面の作製、エッチングによる深さ制御のための穴の作成、また、初期的ながら、共焦点光学系による単一NV中心の観測に成功した。このように、当初の予定の、構造作製・計測に成功した。
現在は、通常の13C自然存在比を持つ通常のメタンガスを用いた。また、表面終端も、通常の水素で行った。表面修飾条件などは今後の課題となると考えている。
一方、予想しなかったこととしては、ダイヤモンド表面の、完全平坦面から出発した部分、また、荒れた面から出発した部分におけるNV中心の密度が異なることが判明し、この原因を探っている。これらの知見は今後のNV中心作成技術に生かせると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の課題としては、表面エッチングの条件を最適化し、所望の深さのNV中心を作りこむこと、また、表面修飾原子のフッ素やOH基などの他の原子核を持つ原子による終端、また、計測においては、NV-の深さの計測や電子スピン共鳴を通した表面終端原資による核スピンの検出などを行っていく予定である。
ダイヤモンドのエッチングに用いるガスとしては、酸素ガスによるもの、水素ガスによるものなどが用いられている。酸素ガスによるエッチングは、表面粗さが大きく制御が困難であることがわかった。本研究ではエッチングガスとして水素ガスを用い行った。そのプラズマ条件によって、その粗さや、粗さの構造が変わることがわかり、調整することにより、その後の窒素ガスを含むダイヤモンド製膜による埋め込みを容易にし、かつ、埋め込み深さを制御する条件を見出した。今年度はこれらの手法を用い、NV中心の深さの制御を行う予定である。また、修飾原子として、OH基、フッ素原子など他の原子による表面修飾、修飾原子を変えたときに生じる、NV-センタ電子スピンと表面修飾原子による核スピンとの相互作用の変化の様子の理論的な議論を行っている予定である。
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