2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26220602
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30276414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 研究員 (50392684)
鹿田 真一 関西学院大学, 理工学部, 教授 (00415689)
原田 慶恵 京都大学, 学内共同利用施設等, 教授 (10202269)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド中の個々の量子ビットをセンサーとして、単一の分子や細胞の核磁気共鳴(NMR)イメージング測定や電位分布測定を室温で実現する実験手法を提案した。その概要を、代表者・伊藤が「応用物理」誌およびAAPPS Bulletin（アジア物理学会学術誌）に解説論文として発表し、広くアジアに発信した。さらに、材料科学の学会として世界的に最も多い会員数を誇る米国Materials Research Societyから連絡を受け、同学会が新設した学術誌から招待解説論文の執筆が要請された。そこで代表者・伊藤（慶大）と分担者・渡邊（産総研）が共著で半導体同位体工学の量子情報応用に関する解説論文をOpen Accessで発表した。
実験においては渡邊がNV中心を含むダイヤモンドを多数作製し、その評価を伊藤が行い、量子センサーとして特に優れた性質を有するNVをスクリーニングして、その上にSi-29核スピン膜を伊藤が堆積した。これはSi-29核スピンから生じる核磁場を、ダイヤモンド中のNVセンサーで検知することが目的であった。そこで核磁場の高感度検知を試みたが、ダイヤモンド上に高品質なシリコン膜を形成することが困難であったことから、シリコン中に多くの欠陥が生じ、それらがノイズ源となることが判明した。そこで、ノイズ解析に独Ulm大学Jelezko教授と共同で取り組み、その成果をPhysical Review Letters誌に国際共著論文として発表した。
その他、ダイヤモンド上に堆積して検知する磁性膜の候補として、MnGe膜に関する研究（Physical Review B誌に発表）や、検知の対象となるシリコン膜中のスピンを操作する様々な方法の開発（国際共著論文として、Physical Review Letter誌とPhysical Review B誌に一通ずつ発表）を行った。
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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
今年度採択された課題であるため、実質的なスタートを7月に切った。慶應義塾大学においては研究代表者・伊藤と連携研究者・早瀬が共同で12C同位体ダイヤのフォトルミネッセンスマッピングによる評価(NVペア濃度の決定)、光検知磁気共鳴(ODMR)による位相緩和時間(T2)測定を実行する装置系の構築を行い年度内にすべて完成させた。特に電子スピン0と±1準位間の磁気共鳴を誘起し、ある量子状態に固定(初期化)してからその位相がどの程度の時間(T_2)保たれるかを調べるスピンエコーを高感度で測定する装置を完成させたことにより、産総研・渡邊が作製する試料を直ちに評価し、その結果を渡邊にフィードバックすることから試料品質を常に向上させる好循環の構築に成功した。また、NV発光が14N核スピン(I-1)や13C核スピン(I=1/2)と超微細相互作用により分裂する様子を分光的に観測することにも成功した。さらに慶應義塾大学においては、アンサンブルNVを用いた卓上型イメージング装置を開発し、ダイヤモンドイメージングのデモを行えるようにした。
京都大学においては研究分担者・原田が既存の光検知磁気共鳴顕微鏡への波長可変レーザー導入と制御プログラムの作成、励起状態への共鳴励起とスペクトル測定による励起状態の把握、強電場(10kV/cm)を印加できる試料の検討、ダイヤ基板上に電極を設置し、電位測定に必要な強電場が印加できる実験条件の探索などに取り組んだ。
全体として、初年度として概ね順調に進展した。
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| Strategy for Future Research Activity |
慶應義塾大学においては研究代表者・伊藤と連携研究者・早瀬が共同でC-12同位体ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)ペアのフォトルミネッセンスマッピングによる評価、光検知磁気共鳴による位相緩和時間(T2)測定を続行する。電子スピン0と1準位間の磁気共鳴を誘起し、その位相がどの程度の時間(T2)保たれるかを評価する。また、このNV発光が来年度以降に人工的に導入するN-15により分裂する様子を観測する。また、NV集合体を用いたイメージング装置を開発し、ダイヤモンド基板上にまかれた磁性体の2次元分布マッピングとそれらの磁気共鳴の検知を可能とする装置の構築を開始する。NV集合体を用いる場合には、単一NVよりもT2が短くなりセンシング感度が劣化する。そこで高濃度のNV集合体を表面付近に形成しながらもT2をセンシングに必要な50マイクロ秒以上に保つ工夫を見出す。
産業技術総合研究所においては、研究分担者・渡邊が、CVD法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長を続行し、単一NVセンサーによる検知を目的にする場合には表面から3nmの極浅領域へのNV添加、NV集合体イメージングを目的にする場合にはダイヤモンド基板表面に面密度として1平方cmあたり1e12個程度のNV添加を目指す。また、N-15同位体を用いたNV形成も開始する。
京都大学においては、研究分担者・原田がバイオイメージンングを目的とした装置を完成させ、NV電子スピンをセンサーとして、スピンマーカー等でラベルされたタンパク質分子や磁性粒子のイメージングを目指す。また、電位測定に関する基礎実験も開始する。
関西学院大学においては、研究分担者・鹿田が、NV成長のための適切なダイヤモンド基板作成及び微細加工に取り組む。
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[Journal Article] Optically Detected Magnetic Resonance of Nanodiamonds in Vivo; Implementation of Selective Imaging and Fast Sampling2015
Author(s)
Y. Yoshinari, S. Mori, R. Igarashi, T. Sugi, H. Yokota, K. Ikeda, H. Sumiya, I. Mori, H. Tochio, Y. Harada, and M. Shirakawa
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Journal Title
Journal of Nanoscience and Nanotechnology
Volume: 15
Pages: 1014-1021
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Spectroscopy of Surface-Induced Noise Using Shallow Spins in Diamond2015
Author(s)
Y. Romach, C. Müller, T. Unden, L. J. Rogers, T. Isoda, K. M. Itoh, M. Markham, A. Stacey, J. Meijer, S. Pezzagna, B. Naydenov, L. P. McGuinness, N. Bar-Gill, and F. Jelezko
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 114
Pages: 017601
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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