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2023 Fiscal Year Research-status Report

新奇光共振器構造による高感度ダイヤモンド量子磁気センサーの開発

Research Project

Project/Area Number 22K14289
Research InstitutionToyohashi University of Technology

Principal Investigator

勝見 亮太  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40908505)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Keywordsダイヤモンド / 量子センサー / 量子光学 / NVセンター / ナノ構造 / 量子センシング
Outline of Annual Research Achievements

量子的な性質の活用により、高感度なセンシングを可能にする量子センシングをはじめ、豊かな社会システムが実装できる期待されている。とりわけダイヤモンド中に形成される点欠陥である窒素―空孔(NV)センターは、優れた光学/スピン特性を有するため、磁場や電場、温度などを高感度にセンシングする次世代の量子センサとして注目されています。特にダイヤモンド中のNVセンターからの発光を利用する量子センサーは、室温下で高感度な磁気検出の可能性があり非常に注目されている。
しかし、これまでに報告されたダイヤモンド量子センサーは既存のセンサーに比べて数桁も検出感度が劣っている。ダイヤモンド量子センサーの磁気検出感度を律速する大きな要因として、集団NV中心の発光利用効率の低さが挙げられる。これはダイヤモンドの高い屈折率によってNV中心の発光が基板中に閉じ込められてしまうためであり、NV中心からの発光を効率よく取り出すためには、ダイヤモンド基板に対する光ナノ構造の導入が必要不可欠である。ところが量子センサーの分野においては、発光を高効率(>90%)に取り出すためのデバイスの設計さえほとんど行われていない。またダイヤモンド基板の直接加工は技術的に難しく、集団のNV中心を対象とする分野では発光制御や光取り出しに重要な光ナノ構造の導入もほとんど進められていない。そこで、ダイヤモンド集団NV中心の発光を増強し
高効率に取り出す光ナノ構造をどのように実現するか、が重要である。
そこで本研究では、高感度な磁気検出が可能なダイヤモンド量子センサーの実現に向けて、集団NVセンターの発光強度増強と高効率光取り出しを可能にする新奇ナノ光共振器構造を独自に設計・作製することを目指す。前年度では、数値計算上、共振器構造を用いた感度向上の可能性を実証した。本年度は、ダイヤモンドの微細加工に焦点を当てて研究を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ダイヤモンドは材料上、微細加工が非常に難しい点が大きな課題であった。本年度は、独自のハイブリッド集積技術である転写プリント法と反応性エッチング技術を組み合わせることで、新しいダイヤモンドの微細加工技術の確立に成功した。また、同構造を任意の材料上にハイブリッド集積可能なことも実証することに成功した。これらの要素技術を活用して、共振器構造をダイヤモンド量子センサーに取り入れることは十分可能であり、当初の計画以上に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

確立したダイヤモンド加工技術を活用して、ダイヤモンド光ナノ共振器の作製を目指す。同共振器において、磁気感度が大きく向上できることを実験的に示す。また、科研費 国際共同研究強化の課題と合わせて、他材料フォトニクスを活用したさらなる高度なデバイスの実現も視野に入れたい。

Causes of Carryover

他の財団の寄付金により、必要最低限の資材が購入できたため。
また、国際共同研究強化の研究を遂行する上で、そちらへの経費に研究費を回す必要が生じたため。

  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Hybrid integration of ensemble nitrogen-vacancy centers in single-crystal diamond based on pick-flip-and-place transfer printing2023

    • Author(s)
      Katsumi Ryota、Takada Kosuke、Naruse Shun、Kawai Kenta、Sato Daichi、Hizawa Takeshi、Yatsui Takashi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 123 Pages: 111108

    • DOI

      10.1063/5.0161268

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sensitivity improvement of a single-NV diamond magnetometer using a chiral waveguide2023

    • Author(s)
      Takada Kosuke、Katsumi Ryota、Yatsui Takashi
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 32 Pages: 795~795

    • DOI

      10.1364/OE.509860

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ダイヤモンドナノビーム量子センサーの反転転写プリント集積2024

    • Author(s)
      勝見 亮太,髙田 晃佑,飛沢 建,鳴瀬 駿,河合 健太,佐藤 大地,八井 崇
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 近接場光エッチングを用いたダイヤモンド基板側面の平担化2024

    • Author(s)
      板垣 拓杜,勝見 亮太,橋本 和信,八井 崇
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] ダイヤモンド光導波路の窒化シリコン導波路上ハイブリッド集積2024

    • Author(s)
      髙田 晃佑,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,河合 健太,佐藤 大地,八井 崇
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Pick-Flip-And-Place Hybrid Integration of a Single-Crystal Diamond Nanobeam with an Ensemble of Nitrogen-Vacancy Centers2023

    • Author(s)
      Ryota Katsumi,Kosuke Takada,Shun Naruse,Kenta Kawai,Daichi Sato,Takeshi Hizawa,Takashi Yatsui
    • Organizer
      2023 MRS Fall Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A diamond chiral waveguide structure for nanoscale magnetometry2023

    • Author(s)
      Kosuke Takada,Ryota Katsumi,Takashi Yatsui
    • Organizer
      Quantum Innovation 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ダイヤモンドカイラル光導波路構造の検討2023

    • Author(s)
      髙田 晃佑,勝見 亮太,八井 崇
    • Organizer
      2023年応用物理学会秋季講演会
  • [Presentation] 高Q値ダイヤモンドレーストラック共振器の設計及び作製の検討2023

    • Author(s)
      鳴瀨 駿,勝見 亮太,飛沢 健,佐藤 大地,河合 健太,髙田 晃佑,八井 崇
    • Organizer
      2023年応用物理学会秋季講演会
  • [Presentation] 転写プリント法を?いた高品質ダイヤモンドリング共振器の作製・集積に向けた検討2023

    • Author(s)
      河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀨 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇
    • Organizer
      2023年応用物理学会秋季講演会
  • [Presentation] 転写プリント法を?いた金膜状ダイヤモンドナノ構造によるプラズモニック共振器の作製2023

    • Author(s)
      佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀨 駿,髙田 晃佑,河合 健太,八井 崇
    • Organizer
      2023年応用物理学会秋季講演会
  • [Presentation] ナノダイヤモンド近接場光源を用いたSi光センサの高効率化に向けた研究2023

    • Author(s)
      清水 克哉,内野 晟,飛沢 健,勝見 亮太,藤原 弘康,飯田 健二,八井 崇
    • Organizer
      2023年応用物理学会秋季講演会
  • [Presentation] ダイヤモンド量子センシングの最前線2023

    • Author(s)
      勝見 亮太
    • Organizer
      第158回結晶工学分科会研究会「量子技術と結晶工学」
    • Invited
  • [Presentation] ダイヤモンド量子センサの基礎と研究動向および高感度化・今後の展望2023

    • Author(s)
      勝見 亮太
    • Organizer
      サイエンス&テクノロジーセミナー
    • Invited

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Published: 2024-12-25  

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