Developments of ultra-high sensitive high-pressure THz ESR system using the diamond NV centers

• Project/Area Number: 19K21852
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 太田 仁 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (70194173)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 櫻井 敬博 神戸大学, 研究基盤センター, 助教 (60379477)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: NVセンター / 光検出磁気共鳴 / ダイヤモンドアンビルセル / テラヘルツ / 電子スピン共鳴 / 窒素-空孔中心 / ダイヤモンドアンビル圧力セル

Outline of Research at the Start

本研究は，100GPaを超える超高圧を発生できるが，内径0.5mm以下と極端に小さい試料空間のため，これまでミクロスコピックな電子状態情報を得られる電子スピン共鳴(ESR)測定が従来手法で不可能であったダイヤモンドアンビル圧力セルにおけるESR測定を，新規測定法開発で可能にすることを目指す。具体的には，圧力セルのダイヤモンドに含まれる欠陥NV-センターを用いた光検出磁気共鳴(ODMR)のによるテラヘルツESRの開発を目指すが，前例がない開発なので圧力セルを用いたODMR手法によるテラヘルツESR測定の実証を本研究のゴールとする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，100GPaを超える超高圧を発生できるが，内径0.5mm以下と極端に小さい試料空間のため，これまでミクロスコピックな電子状態情報を得られる電子スピン共鳴(ESR)測定が従来手法で不可能であったダイヤモンドアンビル圧力セルにおけるESR測定を，新規測定法開発で可能にすることを目的とする。次に，ダイヤモンド窒素-空孔中心(NV-センター)を用いた光検出磁気共鳴(ODMR)の原理から，本研究の計画を説明する。NV-センターは，S=1スピン三重項基底状態を取り，基底状態から励起状態へ6 37nm以下の波長のレーザーで励起でき，637nmのゼロフォノン線からフォノンサイドバンドにまたがった600~800nmの範囲で蛍光が観測される 。そして，光励起サイクルを繰り返すことで，室温でもスピン状態をms=0に初期化可能で，ms=0とms=±1状態間で電子スピン共鳴(ESR)励起を行うと，それぞれ状態への蛍光強度が異なるので，蛍光強度の変化としてESR信号観測が可能である。これはODMRを用いたESR観測が，従来のESR観測に比べ10桁高い感度を持つので，単一NV-センターの観測が可能である。測定は圧力セルダイヤモンド表面に貼った微小試料の外部磁場下テラヘルツESRによるスピン状態変化を，近傍のNV-センターが有効磁場変化としてNV-センターのms=±1状態のゼーマン分裂変化として受け取り，ODMRの蛍光強度変化として高感度テラヘルツESRとして 観測されるという原理である。そこで，初年度は超高圧発生に用いられている一般的な圧力セルダイヤモンドにおいて，その表面NV-センター濃度とその分布の把握をしようとしたが，そのようなデータは存在しないことが明らかとなった。そこで，２年目は圧力セルダイヤモンドの表面NV-センター濃度とその分布を，計測可能な既存の装置の探索からスタートした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

超高圧を発生できるダイヤモンドアンビルセルは，２つのダイヤモンドアンビルを対向させ，その間に内径0.5mm以下の穴をあけたガスケットをはさむ。そして，穴に圧力伝達媒体と試料を入れ，２つのダイヤモンドアンビルを押し付け合い圧力を発生する。この穴が微小なので，超高圧が発生するが，試料も微小になり，通常のESRでは観測が不可能であるため，ダイヤモンドアンビル表面のNV-センターを超高感度のODMRで測定し，ESR観測を可能にするのが本研究のねらいである。ダイヤモンドアンビルセルは，専門業者が販売しているので，そのダイヤモンドアンビル表面のNV-センター濃度とその分布の把握を試みた。そこで，専門業者がブースを出展していて調査が可能な第60回高圧討論会(2019年10月23-25日，札幌市・かでる2・7 北海道立道民活動センター)に本科研費で出席し，DIAX株式会社など３社について調査した。その結果，どの業社も商品のNV-センター濃度とその分布を把握しておらず，貸し出しを受けて購入前に，我々で測定や分析をしなければいけないことが明らかとなった。その後，2020年になると新型コロナウイルス肺炎の蔓延により，学会は全てオンライン開催となり，前述のような業者調査は不可能となった．そこで，利用可能なNV-センターの測定装置を検討した。その結果，大阪市立大学理学研究科などにダイヤモンドのNV-センターのODMR測定をしている研究者がわかり，現地調査を予定していたが，新型コロナウイルス肺炎の蔓延により，出張調査ができなくなった。一般的なNV-センターのODMR測定では，2次元的薄膜ダイヤモンドを用いているので，3次元的なダイヤモンドアンビルセルの計測方法に関しては，綿密な現地調査と議論が不可欠であり，出張制限もあいまって研究遂行に大きな支障がでている。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウイルス肺炎の蔓延が収まらないと，現地における装置に関する綿密な出張調査や，計測評価が困難である。しかし，圧力発生用のダイヤモンドアンビルのNV-センター濃度とその分布の把握が最優先課題である状況に変わりはない。そこで，新型コロナウイルス肺炎の状況の改善が短期ではあまり見込めないので，大阪市立大学理学研究科の研究者とZoomなど昨年蓄積してきたオンライン手法を駆使して，現地調査に匹敵する情報収集を行う。調査で明らかにすべき課題はいくつかある。ひとつは，一般的にNV-センターのODMR測定には，高品質の薄膜ダイヤモンドを用いることが多いので，この研究で測定したい数mm角のダイヤモンドアンビルをセットできる装置配置になっているのかが課題である。また，その状況でダイヤモンドアンビルの表面にピントをあわせる十分な焦点深度をもっているか，２次元スキャン領域が十分であるかなども検討課題である。ただ，NV-センターのODMR測定可能な装置を用いた，ダイヤモンドアンビルのNV-センター濃度とその分布の分析は最終的に必須であるので，機会を捉えてそれを行う。そして，十分な評価を得たダイヤモンドアンビルを購入する。また，薄膜ダイヤモンドを用いたODMRによる磁気共鳴測定には，かなり高い濃度のNV-センターが必要で，十分な濃度のダイヤモンドアンビルがみつからない場合，化学的に導入することができる関連研究者はオンライン学会発表などを通じて明らかになってきたので，それも検討する。そして，ODMR装置の共同研究を確立し，ダイヤモンドアンビル上の標準試料DPPHのESR観測にすすむ予定である。

Research Products

• [Journal Article] Helimagnetic Structure and Heavy-Fermion-Like Behavior in the Vicinity of the Quantum Critical Point in Mn3P (2020)
  • Author(s): Kotegawa Hisashi、Matsuda Masaaki、Ye Feng、Tani Yuki、Uda Kohei、Kuwata Yoshiki、Tou Hideki、Matsuoka Eiichi、Sugawara Hitoshi、Sakurai Takahiro、Ohta Hitoshi、Harima Hisatomo、Takeda Keiki、Hayashi Junichi、Araki Shingo、Kobayashi Tatsuo C.
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 124 Pages: 087202-087202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.087202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First-order phase transition to a nonmagnetic ground state in nonsymmorphic NbCrP (2020)
  • Author(s): Y. Kuwata, H. Kotegawa, H. Tou, H. Harima, Q.-P. Ding, K. Takeda, J. Hayashi, E. Matsuoka, H. Sugawara, T. Sakurai, H. Ohta, Y. Furukawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.205110
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure control of the magnetic anisotropy of the quasi-two-dimensional van der Waals ferromagnet Cr2Ge2Te6 (2020)
  • Author(s): T. Sakurai, B. Rubrecht, L. T. Corredor, R. Takehara, M. Yasutani, J. Zeisner, A. Alfonsov, S. Selter, S. Aswartham, A. U. B. Wolter, B. Bu_chner, H. Ohta, and V. Kataev
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 103
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.024404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 三角格子反強磁性体CsCuCl3の高圧下強磁場ESR (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 奥藤涼, 大久保晋, 太田仁, 上床美也, 田中秀数, 世良文香, 高阪勇輔, 秋光純, 世良正文, 井上克也
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 三角格子反強磁性体CsCuCl3の高圧下強磁場ESR II (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 奥藤涼, 大久保晋, 太田仁, 上床美也, 田中秀数, 世良文香, 高阪勇輔, 秋光純, 世良正文, 井上克也
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 圧力下サブミリ波ESR装置の開発と応用 (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 安谷佳将, 竹原良祐, 大久保晋, 太田仁
  • Organizer: 第29回日本赤外線研究会
• [Presentation] 高圧下強磁場ESRシステムの開発と常磁性化合物Co Tutton塩への応用 (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 安谷佳将, 竹原良祐, 大久保晋, 太田仁
  • Organizer: 第59回電子スピンサイエンス学会年会
• [Presentation] 高圧下THz ESRシステムにおける圧力較正手法の確立と応用 (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 安谷佳将, 菅原仁, 大久保晋, 太田仁
  • Organizer: 第61回高圧討論会
• [Presentation] 圧力下THz ESR装置における圧力較正手法の開発と応用 (2020)
  • Author(s): 櫻井敬博, 安谷佳将, 竹原良祐, 菅原仁, 大久保晋, 太田仁
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Development of high-pressure THz ESR system and its application to triangular lattice antiferromagnet CsCuCl3 (2020)
  • Author(s): T. Sakurai, R. Okuto, S. Okubo, H. Ohta, Y. Uwatoko, H. Tanaka, A. Sera, Y. Kousaka, J. Akimitsu, M. Sera, K. Inoue
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Research in High Magnetic Fields & KINKEN Materials Science School 2020 for Young Scientists
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Multi-extreme THz ESR System and Its Application to Orthogonal Dimer Spin Substance SrCu2(BO3)2 (2020)
  • Author(s): T. Sakurai K. Hijii, S. Okubo, H. Ohta, Y. Uwatoko
  • Organizer: International Workshop on Quantum Magnets in Extreme Conditions
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent Developments of Multi-Extreme THz ESR (2020)
  • Author(s): H. Ohta, S. Okubo, E. Ohmichi, T. Sakurai, H. Takahashi, S. Hara
  • Organizer: IRMMW-THz 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multi-extreme THz ESR: present and future (2020)
  • Author(s): H. Ohta, S. Okubo, E. Ohmichi, T. Sakurai, H. Takahashi, S. Hara, Y. Saito
  • Organizer: Modern Development of Magnetic Resonance 2020
  • Int'l Joint Research / Invited