2022 Fiscal Year Annual Research Report
集団的神経細胞ダイナミクスを可視化するダイヤモンドナノレーザの開発
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22H01525
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
八井 崇 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80505248)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関野 正樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401036)
J・J Delaunay 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80376516)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ダイヤモンドNV / ナノレーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド窒素‐空孔(NV)センタはスピン状態が環境によって大きく変化するため、その変化を検出することで、超高感度量子センサとしての利用が期待されている。提案者らはこのダイヤモンドNVセンタの特長を活かして転移癌診断用の高感度・非侵襲磁気センサの開発を行ってきた。本課題では、近接場光の局在性を利用して、究極の磁気感度を達成可能とするダイヤモンドナノレーザを世界に先駆けて実現することを目的とする。
本目的実証のため、本年度は、プラズモニック共振器を用いたNV中心のナノレーザーを検討した。一方、同構造の実現には高密度にNV中心の形成された単結晶ダイヤモンドに対する微細加工技術の確立が必要である。今回、レーザー発振に向けたプラズモニック構造の設計と、同構造の作製に向けたダイヤモンドナノ構造加工の可能性を見出すことに成功した。
ナノレーザーの構造として、金/ダイヤモンドを用いたプラズモニック共振器の構造最適化を行った。シミュレーションにより、導波路中のパーセル係数を求めたところ、レーザー発振が観測された他材質のプラズモニック共振器と同等のパーセル係数が得られることを計算により確認した。
続いてプラズモニック共振器の作製に向けたダイヤモンドナノ構造加工を行った。転写プリント法によりマスクをダイヤモンド基板上に集積した後、酸素プラズマによるエッチングを行った。本手法により、集積したマスクを残したままダイヤモンドが垂直にエッチングすることに成功し、設計した構造に必要となる導波路構造の作製に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
概要に示した通り、レーザ発振に十分なパーセル係数を満たす構造を見出すとともに、電磁界シミュレーションにより、金属/ダイヤモンド界面への電場の集中も確認することができた（Q値として1000以上）。
また、構造の作製方法として、最終的な金膜上への配置を見据えた、転写プリント法の開発も行い、所望の導波路構造を作製することに成功した。
以上より、初年度予想した、進捗よりも進んだ成果を得ることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
我々が開発した転写プリント法は、作製されたダイヤモンドナノ構造の金膜上への転写も容易であることから、所望のダイヤモンドレーザー発振実現が期待される。さらには、ダイヤモンドNVの特長を活かし3次元ベクトルイメージング技術を開発することで、神経回路網の活動を3次元的に可視化可能とする技術開発を目指す。
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[Presentation] Transfer-printing-based integration of SiN grating structure on diamond toward highly sensitive quantum sensor2022
Author(s)
Ryota Katsumi, Takeshi Hizawa, Akihiro Kuwahata, Shun Naruse, Yuji Hatano, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Fedor Jelezko, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Masaki Sekino, and Takashi Yatsui
Organizer
The 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing (5th IFQMS)
Int'l Joint Research
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