Defect engineering by spatiotemporally controlled light pulse

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02656
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Shimotsuma Yasuhiko 京都大学, 工学研究科, 准教授 (40378807)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: レーザー / 結晶 / 欠陥 / 量子 / スピン

Outline of Final Research Achievements

We have developed the technique to fabricate ensemble NV centers in diamond by the spatially and temporally shaped ultrashort laser pulses irradiation. By optimizing the irradiation laser conditions, we have achieved an NV center concentration of 10 to 15th /cm3 or higher, which is required for quantum sensor applications. Furthermore, we have also confirmed that the spin coherence time is almost the same (about 2 microseconds) before and after the laser irradiation. To understand the dynamics of NV center formation and graphitization in a diamond, we constructed an optical system to observe the dynamics of NV center formation based on the second harmonic generation (SHG) by symmetry breaking to point group C3v. In addition, we have also found the possibility that fluctuations in transmittance during laser irradiation, especially before NV center formation and graphitization, affect such stochastic phenomena.

Free Research Field

無機化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイヤモンドNV中心量子センサは、その電子スピン三重項状態を利用することで、従来技術では達成が困難な超微弱な信号を検出できることから、幅広い分野への応用が期待されている。しかし、その超高感度がゆえに、現在の作製プロセスでは、結晶構造の歪みや損傷等による影響により、スピン状態の読み出しプロトコルの最適化が不可欠であった。本研究では、レーザー照射のみによる簡便な手法で室温動作が可能なダイヤモンドNV中心を高濃度に形成可能であること、スピンコヒーレンス時間の劣化がないことを実証した。本研究成果は、ダイヤモンドNV中心の量子センサプラットフォームとしての社会実装の基盤技術であると確信している。