2017 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(矢上), 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 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (10202269)
渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (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 |
慶應義塾大学においては、ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の光磁気評価と量子センシング応用実験を続行した。超高感度量子センターとして利用するための単一のNVが表面数nm近傍に配置された試料を用意することに成功した。1)の試料群では、本研究が目的とする単一核スピン検知を目指した。前年度にダイヤモンドバルク中の単一窒素および炭素核スピン検知に成功したので、今年度は、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NMR検知に取組み大きな成功をおさめた。Q-dyneという特別の方法を用いて、ダイヤモンドの外の核スピンNMRに成功しているのは我が国では本グループのみとみられる。
産業技術総合研究所においては、研究分担者・渡邊が化学気相成長法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長とN-15ドーピングを続行した。さらに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イオン注入などの開発を進め、世界レベルで最高峰のダイヤモンドセンサ材料の作製に成功した。
大阪大学においては、研究分担者・原田がダイヤモンド中のNVセンサーを用いた生体試料中のイメージング研究を続行した。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マーカーとして磁気共鳴蛍光イメージングを続行した。
関西学院大学においては、研究分担者・鹿田が、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を担当した。
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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
中間評価において、ほぼすべての項目で順調な進展が得られているとの評価を得たが、一つ「バイオダイナミクス解明分野」に関しては、その進捗において厳しい評価をいただいた。そこでバイオセンシングに関して、以下の対応を目指すことで挽回を目指している。
細胞中の温度測定に関しては、平らなダイヤ基板のままでは、温度の空間分布がダイヤ基板上では即座に均一化してしまうため目的とする空間分解能が得られない。これを解決するため、ダイヤモンド基板を剣山状に微細加工して、実効的な熱伝導度を下げ、局所的な温度の測定を試みる。微細加工は産総研グループと共同で行う。その結果として個々の細胞の温度測定に成功し、さらには、微細加工の精度（細さ）が鍵となるが、単一細胞内の温度の空間分布および時間変化が測定できれば、当初目標達成だと考えている。
細胞中の局所磁場測定に関しては、直径4～5ミクロンの強磁性Fe微粒子の作る双極子磁場を算出し、微粒子の空間分布と磁化の方向を推定できたため、今後は、現在の1時間にものぼる測定積算時間の短縮を狙う。具体的には測定感度を向上し測定時間を短縮する必要があるため、測定プロトコルの改良を図るとともに、測定対象に見合ったダイヤモンド基板の開発に努め、磁場測定の時間変化を追える体制を作る。
細胞中の電場測定に関しては、上述のとおり難問山積であるが、電場・温度・磁場の測定は本質的に同じNVスピン物性に基づくため、まずは温度と磁場測定に注力し、並行して電場揺らぎのスケールが数秒と長い細胞を探索し、それを標的としてNVを用いた電場ダイナミクス測定のコンセプトの証明にたどり着きたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
世界初そして日本オリジナルのダイヤモンドNVセンシング手法として、単一NV中心による核スピンセンシングにおいて、単一NV中心センサーを座標の中心として、センシング対象とする各スピンの方向と距離と核種のすべてを一意に決定することに挑む。これまでの単一NVでのセンシングでは、検知する核スピンまでの距離を決定する手法は存在したが、その方向までも決定することはできていない。距離と方向が決定できるということは、単一NVセンサーを用いた、周辺核スピンのイメージングができるということで、また、核種に関しても共鳴周波数の変化により分光的に決定できるため、成功すれば画期的な技術となる。
産業技術総合研究所においては、研究分担者・渡邊が化学気相成長法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長とN-15ドーピングを続行する。上述の特別なセンシングを可能にする高品質、長コヒーレント時間NVセンサーの作製を行う。
大阪大学においては、研究分担者・原田がバイオセンシングという切り口で、局所的な温度と磁場の測定に取り組む。温度に関しては、単一細胞内の空間分布および経時変化の測定により当初目標が達成できる。そのために細胞内局所温度の測定に適したナノダイヤを用いた実験手法の開発を進め、水素イオン濃度などの細胞内環境パラメーターの温度測定への影響を明らかにする。磁場に関しては、細胞に直径1ミクロン以下の磁性微粒子を導入し、磁場の空間分布を測定することで磁性微粒子の空間分布と磁化の方向を決定する。測定対象に見合ったダイヤモンド基板（NV濃度や深さ分布）を開発することで、磁化分布測定の空間・時間分解能を向上させ、細胞膜や細胞内小器官の運動を可視化することにつなげたい。
関西学院大学においては、研究分担者・鹿田が、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を続行する。
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[Journal Article] A Quantum-Dot Spin Qubit with Coherence Limited by Charge Noise and Fidelity Higher Than 99.9%2018
Author(s)
J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, and S. Tarucha
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Journal Title
Natuere Nanotechnology
Volume: 13
Pages: 102-106
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] High-Fidelity Singlet-Triplet Readout and Exchange Control of Spin Qubits in a Silicon-MOS Double Quantum-Dot2017
Author(s)
M. A. Fogarty, K. W. Chan, B. Hensen, W. Huang, T. Tanttu, C. H. Yang, A. Laucht, M. Veldhorst, F. E. Hudson, K. M. Itoh, D. Culcer, A. Morell, and A. S. Dzurak
Organizer
International Workshop on Silicon Quantum Electronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Microwave Engineering and Materials Science for Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2017
Author(s)
E. Abe, J. Herrmann, K. Ito, H. Saito, K. Sasaki, E. E. Kleinsasser, Y. Monnai, H. Watanabe, T. Teraji, K.-M. C. Fu, and K. M. Itoh
Organizer
9th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
Int'l Joint Research
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[Presentation] Microwave Engineering, Magnetic Sensing Technique, and Materials Science for Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2017
Author(s)
E. Abe, K. Sasaki, J. Herrmann, E. E. Kleinsasser, Y. Monnai, H. Watanabe, T. Teraji, K.-M. C. Fu, and K. M. Itoh
Organizer
11th Conference on New Diamond and Nano Carbons
Int'l Joint Research
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