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集団的神経細胞ダイナミクスを可視化するダイヤモンドナノレーザの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K22795
補助金の研究課題番号 22H01525 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関豊橋技術科学大学

研究代表者

八井 崇  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80505248)

研究分担者 関野 正樹  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401036)
J・J Delaunay  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80376516)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
キーワードダイヤモンドNVセンタ / ダイヤモンドNV / ナノレーザ
研究開始時の研究の概要

本課題では、近接場光の局在性を利用して、究極の磁気感度を達成可能とするダイヤモンドナノレーザを世界に先駆けて実現することを目的とする。さらには、ダイヤモンドNVの特長を活かし3次元ベクトルイメージング技術を開発する。これらを駆使して、脳機能の精密診断につながる光科学技術を創成し、次世代医療において重要なQuality of Lifeの向上につなげる。

研究実績の概要

ダイヤモンド窒素‐空孔(NV)センタはスピン状態の発光強度が環境によって大きく変化するため、その変化量を検出することで、超高感度量子磁気センサとしての利用が期待されている。本課題では、近接場光の局在性を利用して、究極の磁気感度を達成可能とするダイヤモンドナノレーザを世界に先駆けて実現することを目的とする。
本目的実証のため、本年度は、プラズモニック共振器を用いたNV中心のナノレーザーを検討した。一方、同構造の実現には高密度NV中心含有の単結晶ダイヤモンドに対する微細加工技術の確立が必要である。2023年度は、レーザー発振に向けたプラズモニック構造の設計に基づいて、ダイヤモンドナノ構造加工の可能性を見出すことに成功した。また、プラズモンモードに起因するスペクトルの観測に成功した。
ナノレーザーの構造として、金/ダイヤモンドを用いたプラズモニック共振器の構造最適化を行った。シミュレーションにより、導波路中のパーセル係数を求めたところ、レーザー発振が観測された他材質のプラズモニック共振器と同等のパーセル係数が得られることを計算により確認した。また、ゲイン値がロス値を上回ることから設計した構造によるレーザー発振の可能性があることを確認した。
続いてプラズモニック共振器の作製に向けたダイヤモンドナノ構造加工を行った。転写プリント法によりマスクをダイヤモンド基板上に集積した後、ドライエッチングを行った。本手法により、集積したマスクを残したままダイヤモンドがエッチングされ中空化することに成功し、設計した構造に必要となる導波路構造の作製に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

概要に示した通り、レーザー発振に十分なパーセル係数を満たす構造を見出すとともに、電磁界シミュレーションにより、ロス値を上回るゲイン値が得られることが確認できた。
また、構造の作製方法として、転写プリント法により再現性良く、導波路構造を金基板上に転写することに成功した。さらに、金に転写した構造からプラズモンモードに起因すると思われる発光スペクトルの観測に成功した。
以上より、予想した、進捗よりも進んだ成果を得ることに成功した。

今後の研究の推進方策

シミュレーション上では、ロス値を上回るゲイン値が得られているが、金属界面への光の集中により、ロス値が大きい構造となっている。今後レーザー発振を観測するために低ロス化のための構造最適化を行っている。その構造によってレーザー発振観測を実現が期待される。さらには、ダイヤモンドNVの特長を活かし3次元ベクトルイメージング技術を開発することで、神経回路網の活動を3次元的に可視化可能とする技術開発を目指す。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [国際共同研究] ウルム大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Hybrid integration of ensemble nitrogen-vacancy centers in single-crystal diamond based on pick-flip-and-place transfer printing2023

    • 著者名/発表者名
      Katsumi Ryota、Takada Kosuke、Naruse Shun、Kawai Kenta、Sato Daichi、Hizawa Takeshi、Yatsui Takashi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 号: 11 ページ: 111108-111108

    • DOI

      10.1063/5.0161268

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Variations in the Photoexcitation Mechanism of an Adsorbed Molecule on a Gold Nanocluster Governed by Interfacial Contact2023

    • 著者名/発表者名
      Iida Kenji、Takeuchi Takashi、Katsumi Ryota、Yatsui Takashi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 127 号: 37 ページ: 7718-7726

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.3c03775

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sensitivity improvement of a single-NV diamond magnetometer using a chiral waveguide2023

    • 著者名/発表者名
      Takada Kosuke、Katsumi Ryota、Yatsui Takashi
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 32 号: 1 ページ: 795-795

    • DOI

      10.1364/oe.509860

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design of an ultra-sensitive and miniaturized diamond NV magnetometer based on a nanocavity structure2022

    • 著者名/発表者名
      Katsumi Ryota、Sekino Masaki、Yatsui Takashi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 8 ページ: 082004-082004

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7e10

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transfer-printing-based integration of silicon nitride grating structure on single-crystal diamond toward sensitive magnetometers2022

    • 著者名/発表者名
      Katsumi Ryota、Hizawa Takeshi、Kuwahata Akihiro、Naruse Shun、Hatano Yuji、Iwasaki Takayuki、Hatano Mutsuko、Jelezko Fedor、Onoda Shinobu、Ohshima Takeshi、Sekino Masaki、Yatsui Takashi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 16 ページ: 161103-161103

    • DOI

      10.1063/5.0107854

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] ダイヤモンド光導波路の窒化シリコン導波路上ハイブリッド集積2024

    • 著者名/発表者名
      髙田 晃佑、勝見 亮太、飛沢 健、鳴瀬 駿、河合 健太、佐藤 大地、八井 崇
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 近接場光エッチングを用いたダイヤモンド基板側面の平担化2024

    • 著者名/発表者名
      板垣 拓杜、勝見 亮太、橋本 和信、八井 崇
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ダイヤモンドナノビーム量子センサーの反転転写プリント集積2024

    • 著者名/発表者名
      勝見 亮太、髙田 晃佑、飛沢 建、鳴瀬 駿、河合 健太、佐藤 大地、八井 崇
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ダイヤモンド量子磁気センサの高感度化に向けたカイラル導波路構造の検討と作製2024

    • 著者名/発表者名
      髙田晃佑、 勝見亮太、 鳴瀬駿、 河合健太、 佐藤大地、 飛沢健、 八井崇
    • 学会等名
      バイオセンサ・デバイスで創造するWell-being社会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 非一様光場によるサブナノ加工の進展2023

    • 著者名/発表者名
      八井崇
    • 学会等名
      日本磁気学会第245回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノダイヤモンド近接場光源を用いたSi光センサの高効率化に向けた研究2023

    • 著者名/発表者名
      清水 克哉、内野 晟、飛沢 健、勝見 亮太、藤原 弘康、飯田 健二、八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 転写プリント法を用いた金膜状ダイヤモンドナノ構造によるプラズモニック共振器の作製2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤 大地、勝見 亮太、飛沢 健、鳴瀨 駿、髙田 晃佑、河合 健太、八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 転写プリント法を用いた高品質ダイヤモンドリング共振器の作製・集積に向けた検討2023

    • 著者名/発表者名
      河合 健太、勝見 亮太、飛沢 健、鳴瀨 駿、髙田 晃佑、佐藤 大地、八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高Q値ダイヤモンドレーストラック共振器の設計及び作製の検討2023

    • 著者名/発表者名
      鳴瀨 駿、勝見 亮太、飛沢 健、佐藤 大地、河合 健太、髙田 晃佑、八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ダイヤモンドカイラル光導波路構造の検討2023

    • 著者名/発表者名
      髙田 晃佑、勝見 亮太、八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会秋季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Pick-Flip-And-Place Hybrid Integration of a Single-Crystal Diamond Nanobeam with an Ensemble of Nitrogen-Vacancy Centers2023

    • 著者名/発表者名
      Ryota Katsumi, Kosuke Takada, Shun Naruse, Kenta Kawai, Daichi Sato, Takeshi Hizawa, and Takashi Yatsui
    • 学会等名
      2023 MRS Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A diamond chiral waveguide structure for nanoscale magnetometry2023

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Takada, Ryota Katsumi, and Takashi Yatsui
    • 学会等名
      Quantum Innovation 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of diamond NV magnetometer with optical fiber array2023

    • 著者名/発表者名
      A. Kuwahata, Y. Murata, H. Tanaka, Y. Masuyama, K. Arai, R. Katsumi, T. Iwasaki, M. Hatano, R. Igarashi, T. Ohshima, F. Jelezko, T. Yatsui, M. Sekino
    • 学会等名
      Quantum Innovation 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 転写プリントSiNマスクを活用したダイヤモンド中空構造の作製2023

    • 著者名/発表者名
      髙田 晃佑, 勝見 亮太, 飛沢 健, 鳴瀬 駿, 河合 健太, 佐藤大地, 八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会春季講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 単結晶ダイヤモンドにおける中空リング構造の作製2023

    • 著者名/発表者名
      河合 健太, 勝見 亮太, 飛沢 健, 鳴瀬 駿, 髙田 晃佑, 佐藤 大地, 八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会春季講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] プラズモニック共振器を用いたダイヤモンドNVナノレーザーの検討2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤 大地, 勝見 亮太, 飛沢 健, 鳴瀬 駿, 髙田 晃佑, 河合健太, 八井 崇
    • 学会等名
      2023年応用物理学会春季講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 転写プリント法によるダイヤモンドナノ構造の新規作製技術の検討2022

    • 著者名/発表者名
      鳴瀬 駿、勝見亮太、飛沢健、八井崇
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Transfer-printing-based integration of SiN grating structure on diamond toward highly sensitive quantum sensor2022

    • 著者名/発表者名
      Ryota Katsumi, Takeshi Hizawa, Akihiro Kuwahata, Shun Naruse, Yuji Hatano, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Fedor Jelezko, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Masaki Sekino, and Takashi Yatsui
    • 学会等名
      The 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing (5th IFQMS)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Efficient photon extraction of NV centers in diamond by integrating Si3N4 grating structure on diamond2022

    • 著者名/発表者名
      Ryota Katsumi, Takeshi Hizawa, Akihiro Kuwahata, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Fedor Jelezko, Masaki Sekino, and Takashi Yatsui
    • 学会等名
      The 13th Asia-Pacific Conference on Near-Field Optics (APNFO13)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] Yatsui Research Group

    • URL

      https://lux.ee.tut.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] ダイヤモンド構造体の集積方法2023

    • 発明者名
      勝見亮太、八井 崇、鳴瀬 駿、髙田晃佑、河合健太、佐藤大地
    • 権利者名
      豊橋技術科学大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-106099
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] カイラル導波路を用いた物理量測定方法および磁場強度測定装置2022

    • 発明者名
      勝見 亮太, 髙田 晃佑, 八井 崇
    • 権利者名
      豊橋技術科学大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-203779
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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