| 研究課題/領域番号 |
22K04970
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分30020:光工学および光量子科学関連
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| 研究機関 | 北里大学 |
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研究代表者 |
熊谷 寛 北里大学, 医療衛生学部, 教授 (00211889)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 光ポンピング原子磁気センサ / 室温原子層堆積 / 重溶媒 / フレネル反射損失 / 偏極スピンの緩和防止 / 無反射多層膜構造 / 光増強型 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
光ポンピング原子磁気センサはベッドサイドでも心臓や脳神経由来の微小磁場をモニタリングできる可能性がある。しかし2次元センサアレイに資する、チップサイズの原子セルでは、①光と原子の相互作用長が短く、②光ポンピングされた偏極スピン原子がセル内壁と頻回に衝突し急速にスピンが緩和され、感度が低下する問題があった。本研究では、原子セル内壁でのスピン緩和を最小にするため磁気モーメントの小さい重水素核に注目し、重溶媒を酸化剤とする重水素化薄膜の室温原子層堆積を世界で初めて実証する。重水素核による偏極スピンの緩和防止メカニズムを解明し、光学的にも反射損失/散乱損失を抑制できる無反射多層膜構造を実現する。
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| 研究実績の概要 |
光ポンピング原子磁気センサ（OPAM）は室温で超伝導量子干渉素子（SQUID）を凌ぐ感度が期待できるため、ベッドサイドでも心臓や脳神経由来の微小磁場をモニタリングできる可能性がある。しかし2次元センサアレイに資する、チップサイズの原子セルでは、光と原子の相互作用長が短く、光ポンピングされた偏極スピン原子がセル内壁と頻回に衝突し急速にスピンが緩和され、感度が低下する問題があった。本研究の1年目では、原子セル内壁でのスピン緩和を最小にするため磁気モーメントの小さい重水素核に注目し、重溶媒を酸化剤とする重水素化薄膜の室温原子層堆積（室温ALD）を世界で初めて実証する。
結果として、表面化学反応が促進する高温でなく膜内に重水素が留まる室温を選択する逆発想から、エタノールd6などの重溶媒蒸気を用いた重水素化薄膜の室温ALD法を実証した。トリメチルアルミ（Al(CH3)3、TMA）を導入し、表面化学反応を誘起し、余剰のTMAを排気した。次に重溶媒蒸気を堆積チャンバー内に導入しOD基で基板表面を覆い、余剰の重水蒸気を排気した。既に水蒸気の吸着過程では実証済みで、重溶媒蒸気でも広い圧力範囲で堆積速度が一定となる「自動停止機構」を発現できることを 明らかにした。
次に、重水素化薄膜の重水素化率を変えることで屈折率を変化できることを明らかにした。特に、室温ALDの導入サイクル時間を変化させることで、異なる屈折率の多層膜構造を室温ALD法で作成でき、フレネル反射損失を抑制できることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初目標としていた、室温ALD法による重水素化薄膜コーティング技術の開発と偏極スピンの緩和防止膜の光学多層膜構造の形成を実現した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、石英ガラスセル内壁の至る所に、しかも均一に原子寸法精度の堆積を実現する。ルビジウムを封入するため、石英ガラスセルへのアルカリ金属蒸気の充填システムを重水素化薄膜コーティングシステムと真空一貫で接続する。磁気光学回転を利用した偏極スピン緩和時間計測システムにより、重溶媒依存性、重水素化率依存性、緩衝ガス種依存性、緩衝ガス圧依存性を調べ、明らかにする。
重水素化薄膜の膜厚を原子寸法精度で制御し、偏極スピンを緩和する双極子-双極子相互作用を精密制御する。アルカリ金属原子と重水素化薄膜表面との近接相互作用の詳細を初めて明らかにできる。偏極スピンとセル内壁表面との相互作用に起因する、アルカリ原子間のスピン交換衝突レート、蒸気セルを横切る磁場勾配による緩和レート、他のアルカリ原子・第３体の緩衝ガス原子とのスピン破壊衝突による緩和レート、光ポンピングレート、プローブ光の光吸収レートなど各緩和レートの最小化を明らかにする。その上で、アルカリ原子セルの内壁との衝突による偏極スピン緩和レートの重水素化薄膜の膜厚依存性、重水素化薄膜の膜質（重水素化率）依存性、原子セル温度依存性を調べ、偏極スピンとセル内壁表面との相互作用を明らかにする。
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