ダイヤモンド量子センサを使ったスピン流空間イメージング

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04871
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 針井 一哉 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 主任研究員 (00633900)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 李 松田 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (90805649)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: スピントロニクス / ダイヤモンドNV中心 / 2次元材料

Outline of Annual Research Achievements

本研究は物質中を流れるスピン流の空間イメージングを目的とする。イメージングには高い磁場感度を持つダイヤモンド窒素-空孔発光中心による光検出磁気共鳴を用いる。スピン流源には強磁性を要せず、円偏光照射によってスピン流を励起可能な遷移金属ダイカルコゲナイドを使い、スピン伝導性の高いグラフェンとのヘテロ積層膜にすることでミクロスケールのスピン伝導を実現する。グラフェン端でのスピン蓄積が作る磁場を、ヘテロ構造膜を転写した窒素-空孔中心を高濃度に含むダイヤモンド基板の光検出磁気共鳴の空間分布を通じてイメージングする。
以上の目的を実現するため、本年度は測定系の調整とグラフェン試料の微細加工プロセスの開発を行った。具体的には、共焦点蛍光顕微システム、円偏光依存信号の高感度取得用偏光ロックインシステムのテストを行い、CVD-単層グラフェンへのミリング及び電極作製技術の開発を行った。
最終年度では本年度までの結果をもとに試料の円偏光スピン流励起特性とスピン流空間イメージング実験を行う。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度はTMDC/グラフェンヘテロ構造中のスピン伝導特性を調べるため、CVD-単層グラフェンのスピン注入デバイスの作製とその評価を行う計画であったため、これに基づいてデバイス作製を開始したが、グラフェンのクオリティを保ったまま測定用電極を形成することが予想よりも困難であったため、この技術の確立に時間を要した。
他方で、スピン注入に用いるTMDCについては評価を進め、光吸収が大きく、クオリティの高いサンプルが作成可能なWS2を第一候補とすることに決定した。円偏光PLのデータに基づき、WS2において効率的に光電子励起が可能な波長のレーザーを新規に導入するとともに、円偏光依存性を精密に評価できるようにロックイン可能なシステムの構築も行った。

Strategy for Future Research Activity

本年度に開発したグラフェンの微細加工技術を活用し、令和5年度にTMDC/グラフェン系のスピン伝導特性とスピン流イメージングを行う。強磁性電極を用いたスピン流測定を通じてグラフェンのスピン伝導特性を評価し、それと並行してWS2を転写したグラフェンに円偏光を照射してスピン流生成を行う。生成されたスピン流は電気的手法及び構築したダイヤモンドNVによるイメージングシステムで評価する。

Causes of Carryover

本年度、デバイス作製上の問題点の解決に時間を要したため、本来予定している測定が完遂できなかった。そこで、測定結果をふまえて仕様決定する予定であった物品の購入を次年度に繰り越す。