メゾスコピック系における非線形非平衡輸送

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00656
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小林 研介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10302803)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: メゾスコピック系 / 量子センシング / 非平衡非線形 / ゆらぎ / 量子輸送 / 近藤効果

Outline of Annual Research Achievements

微細加工技術を駆使して作製される固体素子は、印加電圧によって平衡状態から極端な非平衡状態までを連続的に制御することが可能であり、非平衡量子多体系を定量的に取り扱うことのできる理想的な舞台である。2020年度以降は、電荷だけではなく磁化のゆらぎを検出する手法として色中心量子センサに注目し、測定手法を開発してきた。最終年度2022年度の主たる成果は以下のとおりである。
[1] 磁気トンネル接合における非線形伝導について2021年の成果を発展させた測定を行った。非線形伝導の普遍性を見出し、電子が接合をトンネルする際のスピン反転や、デバイス端での材料特性の変調について議論し論文を出版した。
[2] 量子ドットにおける近藤温度について新たな決定方法を提案した。
[3] 色中心量子センサの研究をさらに進めた。(1) 理想的な二準位系であるNV 中心を用いてフロケ状態を作りだした（論文出版）。(2) スピン状態の読み出し手法についての最適化を実証した（論文出版）。(3) NV 中心の電子スピンを二準位系として利用した実験を行い、駆動場を二次関数的に掃引する捻じれランダウツェナーモデルを実証 (4) 窒化ホウ素量子センサの技術を開発。
[4] 量子センサの物性計測応用をさらに進めた。(1) ナノダイヤモンド磁場イメージングにおいて機械学習を用いた磁場推定法を開発した（論文出版）。(2) 熱伝導を可視化するため、NV 中心を用いたロックインサーモグラフィーを開発し、原理実証実験を行った（論文出版）。そのほか、(3) 超伝導体における量子渦の観測 (4) 磁気光学カー効果との同時測定手法の開発 (5) マイクロ波イメージング (6) 励起光強度依存性の調査 (7) NV 中心イメージングにおける光学収差の調査　などを行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

[新聞報道]「機械学習で正確性50倍　ダイヤ量子センサー　東大、磁場計測に提案」（日刊工業新聞　2022年9月5日18面）
[アウトリーチ] 小林研介、「ナノテクノロジーと量子力学」、令和4年度「東大の研究室をのぞいてみよう！～多様な学生を東大に～」プログラム（2023年3月28
日）対象：高校生約100名

Research Products

• [Int'l Joint Research] パリ南大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: パリ南大学
• [Journal Article] Lock-in thermography using diamond quantum sensors (2023)
  • Author(s): Kensuke Ogawa, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Pages: 014002/1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.014002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonlinear conductance in nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis (2023)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Junta Igarashi, Shuichi Iwakiri, Takahito Kitada, Keisuke Hayakawa, Butsurin Jinnai, Tomohiro Otsuka, Shunsuke Fukami, Kensuke Kobayashi, and Hideo Ohno
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: 094436/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.094436
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimization of optical spin readout of the nitrogen-vacancy center in diamond based on spin relaxation model (2022)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Hideyuki Watanabe, Hitoshi Sumiya, Kohei M. Itoh, Kento Sasaki, Junko Ishi-Hayase, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Pages: 055215/1-6
  • DOI: 10.1063/5.0090450
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accurate magnetic field imaging using nanodiamond quantum sensors enhanced by machine learning (2022)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Shuji Ito, Kensuke Ogawa, Yuto Ashida, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 13942/1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18115-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Floquet engineering using pulse driving in a diamond two-level system under large-amplitude modulation (2022)
  • Author(s): Shunsuke Nishimura, Kohei M. Itoh, Junko Ishi-Hayase, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 18 Pages: 064023/1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.064023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサによる物性研究 (2023)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会（上智大学四谷キャンパス+オンライン、東京、2023年3月15－18日）
  • Invited
• [Presentation] Imaging of domain wall motion using quantum magnetic sensor (2023)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Kouki Yamamoto, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: FoPM Symposium (Ito international research center, The University of Tokyo, Japan, February 6-8, 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microwave imaging using diamond quantum sensor (2023)
  • Author(s): Kensuke Ogawa, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: FoPM Symposium (Ito international research center, The University of Tokyo, Japan, February 6-8, 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum sensor in two-dimensional van der Waals material (2023)
  • Author(s): Hao Gu, Yuki Nakamura, Kento Sasaki, Kobayashi Kensuke
  • Organizer: FoPM Symposium (Ito international research center, The University of Tokyo, Japan, February 6-8, 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantitative magnetic imaging of superconducting quantum vortex using solid-state quantum spin sensor (2023)
  • Author(s): Shunsuke Nishimura, Taku Kobayashi, Daichi Sasaki, Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: FoPM Symposium (Ito international research center, The University of Tokyo, Japan, February 6-8, 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of optical spin readout of the nitrogen-vacancy center in diamond based on spin relaxation model (2023)
  • Author(s): Y. Nakamura, H. Watanabe, K. M. Itoh, K. Sasaki, J. I. Hayase and K. Kobayashi
  • Organizer: APS March Meeting 2023 (Las Vegas, USA, March 5-10, 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 六方晶窒化ホウ素(hBN)量子センサの複合パルス制御による感度向上 (2023)
  • Author(s): 顧豪、中村祐貴、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会（オンライン、2023年3月22-25日）
• [Presentation] 色中心磁場センサと磁気光学カー効果の同時イメージング技術 (2023)
  • Author(s): 塚本萌太、山本航輝、河口真志、林将光、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会（オンライン、2023年3月22-25日）
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサによる磁壁の観測 (2023)
  • Author(s): 山本航輝、塚本萌太、河口真志、林将光、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会（オンライン、2023年3月22-25日）
• [Presentation] 量子状態の幾何学的非断熱制御の実証 (2023)
  • Author(s): 佐々木健人、中村祐貴、寺地徳之、岡隆史、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会（オンライン、2023年3月22-25日）
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサを用いた超伝導体薄膜の磁束量子の定量的観測 (2023)
  • Author(s): 西村俊亮、小林拓、佐々木大地、辻赳行、岩﨑孝之、波多野睦子、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会（オンライン、2023年3月22-25日）
• [Presentation] Three-body correlation in nonequilibrium quantum liquid (2022)
  • Author(s): Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29) (Online & Sapporo, Japan, August 18 - 24, 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non-equilibrium behavior of correlated quantum liquid (2022)
  • Author(s): Kensuke Kobayashi
  • Organizer: the 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15) (Online & Seoul, South Korea, August 21 - 26, 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mesoscopic physics and quantum sensing (2022)
  • Author(s): Kensuke Kobayashi
  • Organizer: the Max Planck - UBC - UTokyo Centre for Quantum Materials annual meeting (The University of British Columbia, Vancouver, Canada, September 19-21, 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子を見る、量子で見る (2022)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: さきがけ「トポロジー」領域 第7回領域会議（東京、2022年8月29日）
  • Invited
• [Presentation] 量子テクノロジーと機械学習 (2022)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: 東京大学AIセンター連続シンポジウム 第11回「共進化する物理学と人工知能の現在」（オンライン、2022年10月3日）
  • Invited
• [Presentation] 量子液体と量子スピン顕微鏡 ―量子を見る、量子で見る― (2022)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: 物理談話会（千葉大学、2022年11月29日）
  • Invited
• [Presentation] Observation of Little-Parks oscillations in Bi/Ni bilayer film (2022)
  • Author(s): M. Tokuda, M. Nakao, M. Watanabe, R. Nakamura, M. Maeda, S. Lee, D. Yue,K. Aoyama, T. Mizushima, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS2022) (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Okinawa, July 10-15, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of Electronic Spin Triple-Resonance of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond for Sensing (2022)
  • Author(s): Ryusei Okaniwa, Yuichiro Matuszaki, Tatsuma Yamaguchi, Soya Saijo, Hideyuki Watanabe, Norikazu Mizuochi, Yuta Nakano, Norio Tokuda, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi, and Junko Ishi-Hayase
  • Organizer: CLEO-PR 2022 (Sapporo Convention Center, Hokkaido, Japan & online, July 31 - August 6, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging of Magnitude and Phase of AC Magnetic Field Using Continuous-Wave Scheme with Diamond (2022)
  • Author(s): Takumi Mikawa, Karl J. Hallback, Yuichiro Matsuzaki, Norio Tokuda, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi, and Junko Ishi-Hayase
  • Organizer: CLEO-PR 2022 (Sapporo Convention Center, Hokkaido, Japan & online, July 31 - August 6, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Little-Parks oscillations in Bi/Ni bilayer film [Best Poster Award] (2022)
  • Author(s): M. Tokuda, M. Nakao, M. Watanabe, R. Nakamura, M. Maeda, S. Lee, D. Yue, K. Aoyama, T. Mizushima, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29) (Sapporo Convention Center, Sapporo, Japan, August 18 - 24, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universal Scaling property of Linear Conductance through a Kondo Dot in Magnetic Field and its Application (2022)
  • Author(s): Rui Sakano, Tokuro Hata, Kaiji Motoyama, Yochimichi Teratani, Tomonori Arakawa, Meydi Ferrier, Richard Deblock, Mikio Eto, Kensuke Kobayashi, Akira Oguri
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29) (Sapporo Convention Center, Sapporo, Japan, August 18 - 24, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanodiamond quantum thermometer assisted with machine learning [Poster Award] (2022)
  • Author(s): Kouki Yamamoto, Kensuke Ogawa, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022) (Koshiba Hall, The University of Tokyo, Japan, November 8-11, 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frequency-tunable AC Magnetometry by Using Electronic Spin Triple-Resonance of Nitrogen-Vacancy Center in Diamond (2022)
  • Author(s): 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)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] D01 説明 (2022)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」第2期公募研究キックオフミーティング（東京大学柏キャンパスおよびオンライン、2022年6月17日-18日）
• [Presentation] Physical properties measurement using diamond quantum sensors (2022)
  • Author(s): 小林研介
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会（名古屋大学+オンライン、2022年12月8－10日）
• [Presentation] 六方晶窒化ホウ素の欠陥を利用した磁場センシング (2022)
  • Author(s): 顧豪、中村祐貴、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日
• [Presentation] 機械学習を用いたナノダイヤモンド量子温度センサ (2022)
  • Author(s): 山本航輝、小河健介、塚本萌太、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサの励起光強度依存性 (2022)
  • Author(s): 伊藤秀爾、塚本萌太、小河健介、寺地徳之、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサを用いたマイクロ波イメージング測定 (2022)
  • Author(s): 小河健介、西村俊亮、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日
• [Presentation] ダイヤモンドNV中心を用いたセンシングにおける光学収差の影響 (2022)
  • Author(s): 西村俊亮、塚本萌太、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日
• [Presentation] 機械学習によるナノダイヤモンド量子センサの磁場イメージング [日本物理学会2022年秋季大会学生優秀発表賞 (領域3)] (2022)
  • Author(s): 塚本萌太、伊藤秀爾、小河健介、蘆田祐人、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日）
• [Presentation] 磁気コンダクタンスを用いた近藤温度の見積もりの実験データへの適用 (2022)
  • Author(s): 阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、堤和彦、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会（東京工業大学、東京、2022年9月12日－15日）
• [Presentation] ダイヤモンド中 NV 中心の電子スピン三重共鳴現象を用いた周波数可変な交流磁場センサ (2022)
  • Author(s): 岡庭 龍聖、松崎 雄一郎、山口 達万、渡邊 幸志、水落 憲和、中野 裕太、徳田 規夫、佐々木 健人、小林 研介、早瀬 潤子
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会（東北大学&オンライン、2022年9月20日－23日）
• [Remarks] 小林研究室ホームページ
  • URL: https://www.meso.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] [プレスリリース] ナノダイヤモンド磁場イメージング ― 量子計測×機械学習の新展開
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/8041/