2015 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) |
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)
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)
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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 |
2年度目を迎え、世界的にも本基盤Sの取り組みが注目されるようになった。国際会議招待講演依頼が、シリコン薄膜成長の国際会議（5月モントリオール）、半導体欠陥物理国際会議（7月ヘルシンキ）、そして本研究が目指すナノ領域NMRという枠組みの中で最も影響力が強いNanoMRI Conference（7月カナダWaterloo大学）、量子情報技術で重要なSpinTech VIII（8月チューリッヒ）とXIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information（10月ミンスク）と広い分野および地域から届いたことは、本プロジェクトに対する世界の関心の高さを示している。また2016年8月5～7日には研究代表者・伊藤が議長、本基盤Sが共催としてDiamond Quantum Sensing Workshop を高松で開催し、103名（内、外国から33名）の参加者に対して本基盤Sの成果を広く発信した。論文発表に関しては、ダイヤモンドを用いた量子センシングに必要な量子操作技術の開発をシリコンやゲルマニウムをプラットフォームとして実施した成果をNature, Nature Nanotechnology, Nano Letters, Physical Review Letters, Physical Review B, New Journal of Physics, Journal of Applied Physics誌に国際共著論文として発表し、その他、ダイヤモンド上に乗せて検知対象とすることに関連した成果をPhysical Review B, Applied Physics Letters, Japanese Journal of Physics誌に発表した。
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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
慶應義塾大学においてはダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の様々な評価と量子センシング応用を実施するために必要な評価装置群の開発を行い、特に単一NVを量子センサーとして用いる装置系において世界的にみても最先端の性能を得ることに成功した。具体的には、1）単一NVを超高感度量子センサーとして利用するための評価およびセンサー実装装置、2）表面近傍に導入された高濃度のNV集合体中の個々のNVをピクセルとしてイメージングを実施するための装置群の開発を行った。1)の装置群では、マイクロ波工学、ナノ光学、計算機技術などを駆使して、単一NVを高い空間分解能でマッピングし、発光元がNVであることを分光器で確認する技術を確立した。また、直径1mmの領域で高強度の交流マイクロ波磁場を印加できるアンテナを設計・開発し（Review of Scientific Instruments誌投稿中）、さらに任意の単一NV任意の強度と方向の直流磁場を印加するシステムも開発することから、任意の単一NVをマイクロ波パルスによって自由自在に量子操作する装置系を完成させた。この装置を用いて、単一NVを用いた少数プロトン核磁場検出に平成28年度から取り組む。2）の装置系の開発も順調に推移しているうえ、高濃度NV試料の作製にHeイオン注入によって達成する技術の開発にも成功し、現在はApplied Physics Letters誌に投稿中である。
産業技術総合研究所においては、CVD法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長を続行した。京都大学においては、蛍光検出磁気共鳴顕微鏡装置により、生体試料中でもNV中心の蛍光像と磁気共鳴スペクトルを同時測定できることを実証した。関西学院大学においてはダイヤモンドを適切に微細加工するための条件出しを行った。
全体として、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ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の様々な評価と量子センシング応用を実施する。試料群は以下の2種類に分ける。1）超高感度量子センサーとして利用するための単一NVが表面数nm近傍に配置された試料、2）高濃度のNV集合体が表面近傍に配置され、それぞれのNVセンサーをピクセルとしたイメージングを実施するための試料。1)の試料群では、ダイヤモンド表面近傍に置かれたNVを用いて、表面上に置かれた「外部核スピンの検知」に取り組む。2）の試料群では、NV濃度を上げていくことに従い短縮されてしまうコヒーレンスを定量的に評価し、NV集合体を用いたセンシング感度を定量的に明らかにする。このことからNV集合体の適正濃度を決定する。
産業技術総合研究所においては、CVD法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長を続行する。上述の試料群1）と2）の作製に加えて、NVを活性化するための新しい高温熱処理方法、成長に用いるプラズマ周波数の調整、空孔の量を増やすためのHeイオン注入など開発を行う。
京都大学においては、研究分担者・原田がダイヤモンド中のNVセンサーを用いたバイオイメージング研究を続行する。蛍光検出磁気共鳴顕微鏡装置により、生体試料中でもNV中心の蛍光像と磁気共鳴スペクトルを同時測定できるため、ダイヤモンド試料群の磁場感度および生体計測適用性を調べるために、磁性微粒子あるいはスピンラベル分子を結合させた、生体細胞あるいはタンパク質分子を準備し、磁気共鳴蛍光イメージングによりそれらの運動や磁場分布を測定する。
関西学院大学においては、センシング素子の目的に合わせて必要とされるダイヤモンド微細加工に取り組む。
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[Journal Article] Phonon Engineering in Isotopically Disordered Silicon Nanowires2015
Author(s)
S. Mukherjee, U. Givan, S. Senz, A. Bergeron, S. Francoeur, M. de la Mata, J. Arbiol, T. Sekiguchi, K. M. Itoh, D. Isheim, D. N. Seidman, and O. Moutanabbir
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 15
Pages: 3885-3893
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] A Two-Qubit Logic Gate in Silicon2015
Author(s)
M. Veldhorst, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, W. Huang, J. P. Dehollain, J. T. Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, and A. S. Dzurak
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Journal Title
Nature
Volume: 526
Pages: 410-414
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Bell’s Inequality Violation with Spins in Silicon2015
Author(s)
J. P. Dehollain, S. Simmons, J. T. Muhonen, R. Kalra, A. Laucht, F. Hudson, K. M. Itoh, D. N. Jamieson, J. C. McCallum, A. S. Dzurak, and A. Morello
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Journal Title
Nature Nanotechnology
Volume: 11
Pages: 242-246
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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