2016 Fiscal Year Annual Research Report
室温大気下で動作する走査型ダイヤモンドナノ磁気顕微鏡の開発
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26706007
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
藤原 正澄 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (30540190)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノセンシング / 量子センサ / ダイヤモンド / 欠陥中心 / 量子計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、微小領域における微弱磁気を室温・大気中でも高感度にイメージングする走査型磁気顕微鏡の開発を行う。本手法ではダイヤモンド窒素欠陥（NV）中心の蛍光強度が周辺の微弱磁場の影響で変化する事を利用する。磁気計測感度はNV中心の蛍光検出効率に強く依存するため、高効率蛍光検出が可能なナノ光導波路先端にNV中心を結合した走査型プローブを開発し、磁気イメージングへの応用を行う。
3年目となる本年度は、(1)これまでに構築した電子スピン位相緩和時間計測システムを用いてセンシング応用に最適なNV中心含有ナノダイヤモンドの探索に関する研究と(2)ナノ光導波路にNV中心を効率的に組み込むためのダイヤモンドナノ光導波路に関する研究を行った。
その結果、項目(1)に関しては、ナノダイヤモンド表面を酸素終端処理する複数の手法を検討し、それぞれのスピンコヒーレンス時間を定量評価した。酸素終端処理には、空気中での酸化、および、強酸中での表面処理を行った。測定の結果、強酸中での表面処理はスピンコヒーレンス時間への影響がほとんど見られなかったのに比べて、空気中での酸化処理はスピンコヒーレンス時間を延す事が示された。
項目(2)では、長いスピンコヒーレンス時間を有する化学気相成長ダイヤモンドバルク結晶中のNV中心をセンシングに応用する事を検討した。バルク結晶にナノ導波路構造を形成し、それを取り出してナノ光ファイバに結合する事に成功した。導波路型ダイヤモンドナノワイヤとナノ光ファイバを結合し、その中のNV中心からの高効率発光集光を行う事に成功した。
また、予想していなかった結果として、実験中に水溶液中のダイヤモンドナノ粒子を光トラップする事に成功し、そのNV中心の光検出磁気共鳴スペクトルを測定する事に成功した。これにより、ナノ粒子が液中で回転ブラウン運動するダイナミクスを捉える事に成功した。
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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
本年度の目標であった、ナノダイヤモンドの表面処理を行う事ができた。表面酸化によってNV中心の電子スピンコヒーレンス時間を延長することに成功した。また、ナノ光ファイバ結合ダイヤモンドナノ導波路デバイスを実現する事も成功できた。これらの事から、当初の予定通り進展していると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である次年度は、走査プローブとしての剛性を確保したナノ光ファイバとダイヤモンドナノ光導波路の結合を行い、走査プローブを実現する。また、今年度の成果をまとめて、論文発表を行うと同時に、国際会議での発表を予定している。
剛性確保のための手法としては、酸水素バーナー加熱法によって短い延伸距離でナノ光ファイバを作成する技術を構築中であり、、これによって作ったナノ光ファイバを片端化することで対応する。また、国際会議にはスウェーデンで開催されるダイヤモンド国際会議への参加を申込み中である。これにより、本研究目標である磁気センシング走査プローブの実現を行う。
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| Causes of Carryover |
繰り越しが生じた理由として、①参加予定の国際学会をキャンセルして、次年度開催の国際学会への出席に切り替えた事、②ナノ光ファイバ作製装置の改善のために実験を行う必要が生じたことが上げられる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
①に関しては、９月にスウェーデンで開催されるダイヤモンド国際会議への発表を申込み中である（４０万円）。②については、作製方法改善のための材料費として光ファイバなどの消耗品を２０万円計上している。
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