Developments of ultra-high sensitive high-pressure THz ESR system using the diamond NV centers

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K21852
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 太田 仁 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (70194173)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 櫻井 敬博 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (60379477)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: NVセンター / 光検出磁気共鳴 / ダイヤモンドアンビルセル / テラヘルツ / 電子スピン共鳴

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，100GPaを超える超高圧を発生できるが，内径0.5mm以下と極端に小さい試料空間のため，これまでミクロスコピックな電子状態情報を得られる電子スピン共鳴(ESR)測定が従来手法で不可能であったダイヤモンドアンビル圧力セルにおけるESR測定を，新規測定法開発で可能にすることを目的とする。次に，ダイヤモンド窒素-空孔中心(NV-センター)を用いた光検出磁気共鳴(ODMR)の原理から，本研究の計画を説明する。NV-センターは，S=1スピン三重項基底状態を取り，基底状態から励起状態へ6 37nm以下の波長のレーザーで励起でき，637nmのゼロフォノン線からフォノンサイドバンドにまたがった600~800nmの範囲で蛍光が観測される 。そして，光励起サイクルを繰り返すことで，室温でもスピン状態をms=0に初期化可能で，ms=0とms=±1状態間で電子スピン共鳴(ESR)励起を行うと，それぞれ状態への蛍光強度が異なるので，蛍光強度の変化としてESR信号観測が可能である。さらに，共焦点レーザー顕微鏡を用いて 単一NV-センターでODMRを観測可能である。これはODMRを用いたESR観測が，従来のESR観測に比べ10桁高い感度を持つので，単一NV-センターの観測が可能である。測定は圧力セルダイヤモンド表面に貼った微小試料の外部磁場下テラヘルツESRによるスピン状態変化を，近傍のNV-センターが有効磁場変化としてNV-センターのms=±1状態のゼーマン分裂変化として受け取り，ODMRの蛍光強度変化として高感度テラヘルツESRとして 観測されるという原理である。したがって，まず超高圧発生に用いられている一般的な圧力セルダイヤモンドにおいて，その表面NV-センター濃度とその分布の把握が非常に重要となる。そこで，初年度はこの調査からスタートした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

超高圧を発生できるダイヤモンドアンビルセルは，２つのダイヤモンドアンビルを対向させ，その間に内径0.5mm以下の穴をあけたガスケットをはさむ。そして，穴に圧力伝達媒体と試料を入れ，２つのダイヤモンドアンビルを押し付け合い圧力を発生する。この穴が微小なので，超高圧が発生するが，試料も微小になり，通常のESRでは観測が不可能であるため，ダイヤモンドアンビル表面のNV-センターを超高感度のODMRで測定し，ESR観測を可能にするのが本研究のねらいである。ダイヤモンドアンビルセルは，専門業者が販売しているので，そのダイヤモンドアンビル表面のNV-センター濃度とその分布の把握がまず必要となった。そこで，専門業者がブースを出展していて調査が可能な第60回高圧討論会(2019年10月23-25日，札幌市・かでる2・7 北海道立道民活動センター)に本科研費で出席し，DIAX株式会社など３社について調査した。その結果，どの業社も商品のNV-センター濃度とその分布を把握しておらず，貸し出しを受けて購入前に，我々で測定や分析をしなければいけないことが明らかとなった。そこで，利用可能なNV-センターの測定装置を検討した。当初，神戸大学研究基盤センターの共焦点レーザー顕微鏡の利用を考えていたが，生物系試料に特化していて使い勝手が悪いことが明らかとなった。さらに，調査を行い，大阪市立大学理学研究科などにダイヤモンドのNV-センターのODMR測定をしている研究者がわかり，調査を予定していたが，年度末から新型コロナウイルス肺炎の蔓延により，出張調査ができなくなり，計画にやや遅れがでている状況である。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウイルス肺炎の蔓延が収まらないと，現地で装置の出張調査ができないので，その間，可能な範囲でインターネットを中心に関連文献や情報収集などを進める。しかし，圧力発生用のダイヤモンドアンビルのNV-センター濃度とその分布の把握が最優先課題である状況に変わりはない。そこで，新型コロナウイルス肺炎の状況の改善を待ち，出張調査が可能となった時点で，大阪市立大学理学研究科の研究者と連絡を取り，現地調査を行う予定である。現地調査で明らかにすべき課題はいくつかある。ひとつは，一般的にNV-センターのODMR測定には，高品質の薄膜ダイヤモンドを用いることが多いので，この研究で測定したい数mm角のダイヤモンドアンビルをセットできる装置配置になっているのかが課題である。また，その状況でダイヤモンドアンビルの表面にピントをあわせる十分な焦点深度をもっているか，２次元スキャン領域が十分であるかなども検討課題である。NV-センターのODMR測定可能な装置の候補は複数あるので，できるだけ早くダイヤモンドアンビルのNV-センター濃度とその分布の分析をすすめる。そして，十分な評価を得たダイヤモンドアンビルの購入をおこなう。また，薄膜ダイヤモンドを用いたODMRによる磁気共鳴測定には，かなり高い濃度のNV-センターが必要で，十分な濃度のダイヤモンドアンビルがみつからない場合，化学的に導入することを業者及び関連研究者と検討していく必要がある。そして，ODMR装置の共同研究を確立し，ダイヤモンドアンビル上の標準試料DPPHのESR観測にすすむ予定である。

Causes of Carryover

購入予定であったダイヤモンドアンビル表面のNVセンター濃度とその分布を業者が把握しておらず，申請者が購入前に測定および分析をしなければならないことがわかった。さらに，それを測定するODMR装置の現地調査を行う予定であったが，新型コロナウイルス肺炎の蔓延により，出張調査ができなくなり分析ができず，ダイヤモンドアンビルの購入が次年度に繰り越しとなり，さらに年度末の学会なども中止となり，出張旅費も大きく繰り越しとなった。次年度に，分析をすすめ，初年度に予定していたダイヤモンドアンビルの購入や，学会出張などを行う。この結果を受けて，翌年度予算は，対のダイヤモンドアンビルの購入，その分析のためのセットアップ部品，ダイヤモンドアンビル評価のためのテラヘルツESR測定用寒剤，分析や学会・研究会などの出張旅費などに使用する。