量子センサを用いたメゾスコピック磁性の研究

• Project/Area Number: 22KJ1059
• Project/Area Number (Other): 22J21412 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 塚本 萌太 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 量子センサ / 反強磁性体 / 二次元物質 / 磁壁構造 / ダイヤモンド / 光学収差 / 機械学習 / ナノダイヤモンド / 磁壁クリープ / 反強磁性体磁化 / 磁気光学カー効果

Outline of Research at the Start

ミクロとマクロの中間領域であるメゾスコピックスケールの物理実験は、量子効果や多体効果などが如実に表れるため長らく電気伝導の観点から研究が続けられてきた。本研究の目的は、メゾスコピック領域の現象である磁区や磁気渦に対して、ダイヤモンド量子センサによる局所磁場の精密観測を通じて、量子効果や多体効果とその空間的揺らぎを定量的に議論し、その構造を明らかにすることである。今までにない精密さでの局所的かつ定量的な磁場測定による本研究は、メゾスコピック物理の研究に新たな可能性を提供する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、メゾスコピック領域の現象である磁区や磁気渦に対して、ダイヤモンド量子センサによる局所磁場の精密観測を通じて、量子効果や多体効果とその空間的揺らぎを定量的に議論し、その構造を明らかにすることである。二年次においては、技術的目標に関する論文を投稿したうえで、実際の物質に適用して観測に成功した。
初年次の研究にて判明した光学的問題について、より進んだ解析や数値計算を行い、高い屈折率の材料を透過して行うイメージング測定の全般に適用可能な形として論文を投稿した。この問題はダイヤモンド量子センサにおいては物性適用段階で初めて表出するものであり、得られたデータの空間的な確度を決定する重要な要素である。また、低磁場での測定確度を向上させる研究についての論文を出版した。
実際の現象への適用として、反強磁性体の磁区と磁壁の観測に成功し、磁壁の構造をはじめとする複数の新知見を得た。このために測定データの解析手法を拡張し、ダイヤモンド量子センサがより広範な物質や現象を探索できることを明らかにした。本研究で得られた物性値は定量性が高く、理学的知見のみならず工学的な応用展開にも資するものである。本成果は学会発表を行い、論文を執筆中である。
六方晶窒化ホウ素の中の量子センサの開発では、センサの位置制御を実施した論文を出版し、その最適化に関する実験を行った。また、強磁性体に六方晶窒化ホウ素を貼り付けて測定を行い、ダイヤモンド量子センサとの比較について学会で発表した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究課題は、メゾスコピック領域の現象である磁区や磁気渦に対して、ダイヤモンド量子センサによる局所磁場の精密観測を通じて、量子効果や多体効果とその空間的揺らぎを定量的に議論し、その構造を明らかにすることである。二年次である本年度目標の、反強磁性体磁区の観測は達成された。これに加えて、反強磁性体の磁壁の観測にも成功し、磁壁におけるスピン構造を明らかにした。この解明は本研究課題の最終目標の1つである。よって、当初の計画以上に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

最終年度では、二年次に開発した解析手法を活用して、多様な磁区構造の測定を試みる。また、当初の計画通りに低温での測定を試みる。
二年次に開発した手法は、ダイヤモンド量子センサが有する定量性を活かして磁気異方性にアプローチするものである。これを他の物質や微細加工した磁性体に適用していく。また、低温における超伝導体の磁化率測定を実施し、強磁性とは異なる秩序にもアプローチしていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ETH Zurich(スイス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/QZabre LLC.(スイス)
• [Journal Article] Magnetic field imaging by hBN quantum sensor nanoarray (2023)
  • Author(s): Kento Sasaki, Yuki Nakamura, Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Applied Physical Letters Volume: 122 Issue: 24 Pages: 244003-244003
  • DOI: 10.1063/5.0147072
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical-power-dependent splitting of magnetic resonance in nitrogen-vacancy centers in diamond (2023)
  • Author(s): Shuji Ito, Moeta Tsukamoto, Kensuke Ogawa, Tokuyuki Teraji, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 8 Pages: 84701-84701
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.084701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lock-in thermography using diamond quantum sensors (2023)
  • Author(s): Kensuke Ogawa, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 1 Pages: 014002-014007
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.014002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic field imaging by hBN quantum sensor nanoarray (2023)
  • Author(s): Sasaki Kento, Nakamura Yuki, Gu Hao, Tsukamoto Moeta, Nakaharai Shu, Iwasaki Takuya, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Ogawa Shinichi, Morita Yukinori, Kobayashi Kensuke
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accurate magnetic field imaging using nanodiamond quantum sensors enhanced by machine learning (2022)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Shuji Ito, Kensuke Ogawa, Yuto Ashida, Kento Sasaki, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 13942-13942
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18115-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet (2024)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, YoshiChika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: International Symposium on Quantum Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet (2024)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, YoshiChika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: CEMS symposium on Emergent Quantum Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet Mn3Sn realized perpendicular magnetization (2024)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, YoshiChika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: American Physical Society March meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カイラル反強磁性体の磁壁の観測 (2024)
  • Author(s): 塚本萌太, Zhewen Xu, 肥後友也, 近藤浩太, 佐々木健人, 朝倉海寛, 坂本祥哉, Pietro Gambardella, 三輪真嗣, 大谷義近, 中辻知, Christian L Degen, 小林研介
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet Mn3Sn (2024)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, YoshiChika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 日本応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Simultaneous magnetic imaging using nitrogen-vacancy center and magneto-optical Kerr effect (2023)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Kouki Yamamoto, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] hBN量子センサによる磁性体薄膜の磁気イメージング (2023)
  • Author(s): 塚本萌太、顧豪、中村祐貴、中払周、岩崎拓哉、渡邊賢司、谷口尚、河口将志、林将光、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ナノ精度配置した量子センサによる磁場イメージング (2023)
  • Author(s): 佐々木健人、中村祐貴、 顧豪、塚本萌太、中払周、岩崎拓哉、渡邊賢司、谷口尚、小川真一、森田行則、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ヘリウムイオン顕微鏡を用いたhBN中の量子センサの作製 (2023)
  • Author(s): 顧豪、塚本萌太、中村祐貴、中払周、岩崎拓哉、渡邊賢司、谷口尚、小川真一、森田行則、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 電場と磁場の同時量子計測によるマルチフェロイクスの研究に向けて (2023)
  • Author(s): 中村祐貴、顧豪、塚本萌太、中払周、渡邊賢司、谷口尚、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサによるマグネタイトの磁気ダイナミクスの観測 (2023)
  • Author(s): 山本航輝、塚本萌太、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Magnetic imaging of magnetic film using hBN quantum sensor (2023)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Hao Gu, Yuki Nakamura, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 12th workshop on semiconductor/superconductor quantum coherence effect and quantum information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Creating quantum sensors in hBN using He ion microscopy (2023)
  • Author(s): Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Yuki Nakamura, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shinichi Ogawa, Yukinori Morita, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 12th workshop on semiconductor/superconductor quantum coherence effect and quantum information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward the study of multiferroics by quantum sensing of electric and magnetic fields (2023)
  • Author(s): Yuki Nakamura, Hao Gu, Moeta Tsukamoto, Shu Nakaharai, Takuya Iwasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 12th workshop on semiconductor/superconductor quantum coherence effect and quantum information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of magnetic dynamics on magnetite using diamond quantum sensors (2023)
  • Author(s): Kouki Yamamoto, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 12th workshop on semiconductor/superconductor quantum coherence effect and quantum information
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサの物性応用とその解析 (2023)
  • Author(s): 塚本萌太
  • Organizer: IPI-ダイキンシンポジウム
• [Presentation] Observation of domain wall in chiral antiferromagnet (2023)
  • Author(s): Moeta Tsukamoto, Zhewen Xu, Tomoya Higo, Kouta Kondo, Kento Sasaki, Mihiro Asakura, Shoya Sakamoto, Pietro Gambardella, Shinji Miwa, YoshiChika Otani, Satoru Nakatsuji, Christian L Degen, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] 色中心磁場センサと磁気光学カー効果の同時イメージング技術 (2023)
  • Author(s): 塚本萌太、山本航輝、河口真志、林将光、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサによる磁壁の観測 (2023)
  • Author(s): 山本航輝、塚本萌太、河口真志、林将光、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Imaging the domain wall motion using quantum magnetic sensor (2023)
  • Author(s): Tsukamoto Moeta, Yamamoto Kouki, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi,
  • Organizer: FoPM symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 機械学習によるナノダイヤモンド量子センサの磁場イメージング (2022)
  • Author(s): 塚本萌太、伊藤秀爾、小河健介、蘆田祐人、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] ダイヤモンドNV中心を用いたセンシングにおける光学収差の影響 (2022)
  • Author(s): 西村俊亮、塚本萌太、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] ダイヤモンド量子センサの励起光強度依存性 (2022)
  • Author(s): 伊藤秀爾、塚本萌太、小河健介、寺地徳之、佐々木健人、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Nanodiamond quantum thermometer assisted with machine learning (2022)
  • Author(s): Yamamoto Kouki, Ogawa Kensuke, Tsukamoto Moeta, Sasaki Kento, Kobayashi Kensuke
  • Organizer: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究者webページ
  • URL: https://meso.phys.s.u-tokyo.ac.jp/members/moeta
• [Remarks] プレスリリース「量子センサを自在に並べる」
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2023/8482/
• [Remarks] 研究者webページ
  • URL: https://meso.phys.s.u-tokyo.ac.jp/%e5%a1%9a%e6%9c%ac-%e8%90%8c%e5%a4%aa
• [Remarks] ナノダイヤモンド磁場イメージング プレスリリース
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8041/
• [Remarks] 日本物理学会2022年秋季大会 学生優秀発表賞（領域３）受賞
  • URL: https://meso.phys.s.u-tokyo.ac.jp/archives/1282
• [Remarks] 研究成果のアウトリーチ 一般向け講演
  • URL: https://ut-10min.github.io/kf73/talks.html