2023 Fiscal Year Annual Research Report
ダイヤモンド量子センサによるメゾスコピック磁性研究の基盤構築
Project/Area Number |
23H01103
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Allocation Type | Single-year Grants |
Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
小林 研介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10302803)
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Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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Keywords | メゾスコピック系 / 量子センシング / NVセンタ / 色中心 / ゆらぎ / 磁場イメージング / 非平衡非線形 |
Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド結晶中のNV中心を高感度な磁場量子センサとして用いるイメージング手法を開発し磁性体へ適用することが本研究の目的である。2023年度は以下の成果を得た。(1) 量子スピン顕微鏡に用いるダイヤモンド基板におけるNV中心生成技術について取り組み、質の向上が得られた。現在、様々な条件で作製したNV中心の性質を系統的に調べている。(2) 我々の量子スピン顕微鏡ではダイヤモンド越しに試料を測定することが多い。その際、ダイヤモンドの屈折率に由来する光学収差を考慮するため、実験と数値シミュレーションにより最適なダイヤモンドの条件を求めた。(3) ACゼーマン効果を利用することによりNV中心の共鳴周波数付近に限定されずより広帯域にAC磁場を検出しイメージングする手法を開発した。NV中心におけるACゼーマン効果自体は実証されていたがイメージング測定への適用は本成果が初めてである。(4) 量子スピン顕微鏡の開発において超伝導における磁束量子は格好のベンチマークとなる。微小超伝導体における観測を行い、磁束量子の検出感度向上に資する技術的知見を得た。(5) 圧力下における磁場計測のためにNV中心含有ナノダイヤモンドを用いた圧力・磁場測定を行った。(6) NV中心のスペクトルが温度を敏感に反映することを利用し、機械学習(ガウス過程回帰)を用いた温度推定手法を開発した。(7) カイラル反強磁性体における磁壁の観測を行った。そのデータの詳細な解析を進めた。(8) 六方晶窒化ホウ素(hBN)におけるホウ素空孔欠陥もNV中心と同様な量子センサとなる。ヘリウムイオン顕微鏡を用いて作製を行い、最適な条件を求めた。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ダイヤモンド基板作成の知見が得られたこと、超伝導体の量子渦についての論文が出版されたこと、ACゼーマン効果を利用したイメージングができたこと、カイラル磁性体の磁壁の観測が達成されたこと、などから、本研究は順調に進んでいると判断する。
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Strategy for Future Research Activity |
本研究では、イメージングを行うためにダイヤモンド表面(数10nm以内)にNV中心が密集し、かつ、メゾスコピック素子に密着させるために表面が平坦な「NV中心アンサンブル基板」を準備する必要がある。このような基板の作製については世界でも数グループが取り組んでいるが、未だ手探りの段階である。我々はこれまでに、基板の熱処理・イオン注入・洗浄・ミリングなどの地道なレシピの改善を行ってきた。今年度は昨年度に得られた知見を元に基板の性能を評価しつつ、フィードバックしていく。また、NV中心を用いた超伝導量子磁束の観測について昨年度は論文発表を行ったが、その後も、解析手法や測定対象について新しい試みを続けている。今年度はダイナミクス測定へと進みたい。ファンデルワールス強磁性体やメゾスコピック磁性への適用については昨年度から開始しており本年度も継続する。カイラル磁性体については解析が相当進んできたので成果発表も行っていきたい。
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Remarks |
[新聞報道]「東大、hBN欠陥量子センサーをナノ配置 微小な局所磁場計測」(日刊工業新聞 2023年6月19日20面) [アウトリーチ]小林研介、「量子力学と量子計測」、研究室訪問(2023年8月28日)。対象:高校1年生8名・小林研介、「ナノテクノロジーと量子力学」、令和5年度「東大の研究室をのぞいてみよう!~多様な学生を東大に~」(2024年3月26日)。対象:高校生、参加者約100名。
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[Journal Article] Frequency-tunable magnetic field sensing using continuous-wave optically detected magnetic resonance with nitrogen-vacancy centers in diamond2024
Author(s)
Ryusei Okaniwa, Takumi Mikawa, Yuichiro Matsuzaki, Tatsuma Yamaguchi, Rui Suzuki, Norio Tokuda, Hideyuki Watanabe, Norikazu Mizuochi, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi, and Junko Ishi-Hayase
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Journal Title
Journal of Applied Physics
Volume: 135
Pages: 044401/1-10
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Magnetic field imaging by hBN quantum sensor nanoarray2023
Author(s)
Kento Sasaki, Yuki Nakamura, Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, and Kensuke Kobayashi
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 122
Pages: 244003/1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Kondo temperature evaluated from linear conductance in magnetic fields2023
Author(s)
Rui Sakano, Tokuro Hata, Kaiji Motoyama, Yoshimichi Teratani, Kazuhiko Tsutsumi, Akira Oguri, Tomonori Arakawa, Meydi Ferrier, Richard Deblock, Mikio Eto, and Kensuke Kobayashi
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 108
Pages: 205147/1-10
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of Quantum Sensing under High Pressure: Visualization of Pressure and Magnetic Field2024
Author(s)
Ryotaro Suda, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi, Kenshin Uriu, Misaki Sasaki, Mari Einaga, and Katsuya Shimizu
Organizer
International Symposium on Quantum Electronics (The University of Tokyo, Tokyo, Japan, February 13-16, 2024)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantitative imaging of superconducting vortices penetrating a thin film using diamond quantum sensor2024
Author(s)
Shunsuke Nishimura, Taku Kobayashi, Daichi Sasaki, Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
International Symposium on Quantum Electronics (The University of Tokyo, Tokyo, Japan, February 13-16, 2024)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet2024
Author(s)
Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, and Kensuke Kobayashi
Organizer
International Symposium on Quantum Electronics (The University of Tokyo, Tokyo, Japan, February 13-16, 2024)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet2024
Author(s)
Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, and Kensuke Kobayashi
Organizer
CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024 (Tokyo, Japan, February 20-22, 2024)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Theory and Experiment of Current Noise through Kondo Dot under Magnetic Fields2024
Author(s)
Rui Sakano, Tokuro Hata, Kaiji Motoyama, Yoshimichi Teratani, Tomonori Arakawa, Meydi Ferrier, Richard Deblock, Mikio Eto, Kensuke Kobayashi, and Akira Oguri
Organizer
APS March Meeting 2024 (Minneapolis, USA, March 4-8, 2024)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet Mn3Sn realized perpendicular magnetization2024
Author(s)
Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, and Kensuke Kobayashi
Organizer
APS March Meeting 2024 (Minneapolis, USA, March 4-8, 2024).
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet Mn3Sn”2024
Author(s)
Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, and Kensuke Kobayashi
Organizer
第71回応用物理学会春季学術講演会(東京都市大学世田谷キャンパス&オンライン、2024年3月22-25日)。
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[Presentation] Evaluation of the Kondo temperature from linear conductance measurements in magnetic fields in a carbon nanotube quantum dot2023
Author(s)
R. Sakano, T. Hata, K. Motoyama, Y. Teratani, K. Tsutsumi, T. Arakawa, M. Ferrier, R. Deblock, M. Eto, K. Kobayashi, and A. Oguri
Organizer
The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25) (Grenoble, France, July 10-14, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Magnetic field imaging by hexagonal boron nitride quantum sensor nanoarray2023
Author(s)
K. Sasaki, Y. Nakamura, H. Gu, M. Tsukamoto, S. Nakaharai, T. Iwasaki, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Ogawa, Y. Morita, and K. Kobayashi
Organizer
Quantum Sensing Gordon Research Conference (Les Diablerets Conference Center in Les Diablerets, Vaud, Switzerland, July 23-28, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantitative imaging of superconducting vortices penetrating a thin film using diamond quantum sensor2023
Author(s)
Shunsuke Nishimura, Taku Kobayashi, Daichi Sasaki, Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023) (Hokkaido University, Sapporo, Japan, August 8-10, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Magnetic imaging of magnetic film using h-BN quantum sensor2023
Author(s)
Moeta Tsukamoto, Hao Gu, Yuki Nakamura, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantitative visualization of quantum vortices penetrating a superconductor using quantum diamond microscope2023
Author(s)
Shunsuke Nishimura, Taku Kobayashi, Daichi Sasaki, Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Measurement of Quantum Vortices in Ultra-Small Superconductors Using Diamond Quantum Sensors2023
Author(s)
Taku Kobayashi, Shunsuke Nishimura, Kensuke Ogawa Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki , Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Toward the study of multiferroics by quantum sensing of electric and magnetic fields2023
Author(s)
Yuki Nakamura, Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Creating quantum sensors in hBN using He ion microscopy2023
Author(s)
Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Yuki Nakamura, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of Quantum Sensing under High Pressure: Visualization of Pressure and Magnetic Field2023
Author(s)
yotaro Suda, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi, Kenshin Uriu, Misaki Sasaki, Mari Einaga, and Katsuya Shimizu
Organizer
12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (Nasu, Tochigi, Japan, September 27-29, 2023)
Int'l Joint Research
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