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2021 年度 実績報告書

ダイヤモンドNV中心の量子状態高度制御による量子センシング顕微鏡計測研究

研究課題

研究課題/領域番号 21H04653
研究機関京都大学

研究代表者

水落 憲和  京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311)

研究分担者 白川 昌宏  京都大学, 工学研究科, 教授 (00202119)
大木 出  京都大学, 化学研究所, 特定研究員 (80418574)
徳田 規夫  金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (80462860)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2024-03-31
キーワード量子センシング / ダイヤモンド / NV中心 / NMR / バイオ計測
研究実績の概要

本提案では、申請者グループが有するダイヤモンドNV中心の独自の量子状態の高度制御、 高感度量子センシング計測、高品質ダイヤ作製の技術と知見により、NV中心を用いた既存 の計測感度を遥かに超える量子センシング顕微鏡計測の実現をねらう。更にそれらを用い、革新的バイオ計測技術実現へ研究を展開する。研究実施計画に記載した各研究項目の実績は以下のとおりである。
NV中心を用いた独自の高感度量子センシング顕微鏡装置については、高感度量子センシング顕微鏡装置の開発研究を行った。NMR構造解析には化学シフト解析のためNMR線幅先鋭化が重要で、それには静磁場、及び励起用の振動磁場の空間均一性が重要である。静磁場に関してはコイルを自作して改良し、励起用の振動磁場に関してもコイルを設計して改良を行った。
量子状態の高度制御については、ドレスト状態を用いた感度向上実証の目的に関し、ドレスト状態を用いた更なる感度向上の実現には、多数のマイクロ波フォトンをまとわりつかせることが必要なため、そのための高効率振動磁場コイルの設計と作製を行った。
ダイヤモンド材料技術開発に関しては、高品質ダイヤモンドの合成を行った。リンドープn型ダイヤモンドは京大での既存のCVD合成装置により合成した。最適な窒素濃度やNV中心の生成効率は合成条件に強く依存するため、その最適なパラメーターを見つけ出すには系統的な研究開発が必要であったが、最適条件探索を進め、高感度試料作製開発研究を行った。窒素濃度やNV中心の生成効率などの特性評価は、代表者グループの既存設備である電子スピン共鳴装置、自作共焦点レーザ顕微鏡システムや、分光器を導入して行った。各プロセスにおけるNV生成量やT2等の評価情報をフィードバックし、最適な材料作製最適条件を探索した。

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

当初予期していなかったような重大な事案はなく、おおむね順調に進んでいると考えている。研究実施計画に記載した各研究項目の現在までの進捗状況は以下のとおりである。
NV中心を用いた独自の高感度量子センシング顕微鏡装置については、高感度量子センシング顕微鏡装置の開発研究を行った。静磁場に関してはコイルを自作して改良し、励起用の振動磁場に関してもコイルを設計して改良を行った。
量子状態の高度制御については、ドレスト状態を用いた感度向上実証の目的に関し、温度センサの高感度化の目的に関し、近年取り組んでいたドレスト状態を用いたT2長時間化技術などをもとに温度感度高感度化を行った。特に精密な温度感度計測のための設備を構築した。
ダイヤモンド材料技術開発に関しては、高品質ダイヤモンドの合成を行った。リンドープn型ダイヤモンドは京大での既存のCVD合成装置により合成した。最適な窒素濃度やNV中心の生成効率は合成条件に強く依存するため、その最適なパラメーターを見つけ出すには系統的な研究開発が必要であったが、最適条件探索を進め、高感度試料作製開発研究を行った。窒素濃度やNV中心の生成効率などの特性評価は、代表者グループの既存設備である電子スピン共鳴装置、自作共焦点レーザ顕微鏡システムや、分光器を導入して行った。各プロセスにおけるNV生成量やT2等の評価情報をフィードバックし、最適な材料作製最適条件を探索した。
細胞内観測への展開については、立ち上げた装置を用い、まずは板状ダイヤモンドの上に載せた対象試料について、板状ダイヤ内のNV中心により計測を行い、測定条件探索を行った。
以上のように、研究実施計画に記載した通り、研究はおおむね順調に進んでいると考えている。

今後の研究の推進方策

当初予期していなかったような重大な事案はなく、おおむね順調に進んでおり、研究計画の変更あるいは研究を遂行する上での問題点は特にない。
今後も研究計画に記載した各研究項目について、計画に即して研究を進めていく。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ETH Zurich
  • [国際共同研究] Ben-Gurion University of the Negev(イスラエル)

    • 国名
      イスラエル
    • 外国機関名
      Ben-Gurion University of the Negev
  • [雑誌論文] Anomalous Formation of Irradiation-Induced Nitrogen-Vacancy Centers in 5 nm-Sized Detonation Nanodiamonds2022

    • 著者名/発表者名
      So Frederick T.-K.、Shames Alexander I.、Terada Daiki、Genjo Takuya、Morishita Hiroki、Ohki Izuru、Ohshima Takeshi、Onoda Shinobu、Takashima Hideaki、Takeuchi Shigeki、Mizuochi Norikazu、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro、Segawa Takuya F.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 126 ページ: 5206~5217

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c10466

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A simple and soft chemical deaggregation method producing single-digit detonation nanodiamonds2022

    • 著者名/発表者名
      D. Terada, F. T. K. So, B. Hattemdorf, T. Yanagi, E. Osawa, N. Mizuochi, M. Shirakawa, R. Igarashi, T. F. Segawa
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: in press ページ: in press

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct writing of high-density nitrogen-vacancy centers inside diamond by femtosecond laser irradiation2021

    • 著者名/発表者名
      Kurita Torataro、Shimotsuma Yasuhiko、Fujiwara Masanori、Fujie Masahiro、Mizuochi Norikazu、Shimizu Masahiro、Miura Kiyotaka
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 118 ページ: 214001~214001

    • DOI

      10.1063/5.0049953

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing Thermal Magnon Current Mediated by Coherent Magnon via Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2021

    • 著者名/発表者名
      Prananto Dwi、Kainuma Yuta、Hayashi Kunitaka、Mizuochi Norikazu、Uchida Ken-ichi、An Toshu
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 16 ページ: 064058

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.16.064058

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by laser cutting and focused ion beam milling2021

    • 著者名/発表者名
      Kainuma Yuta、Hayashi Kunitaka、Tachioka Chiyaka、Ito Mayumi、Makino Toshiharu、Mizuochi Norikazu、An Toshu
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 130 ページ: 243903~243903

    • DOI

      10.1063/5.0072973

    • 査読あり
  • [学会発表] Nitrogen-Vacancy centers in diamond for quantum sensing2022

    • 著者名/発表者名
      N. Mizuochi
    • 学会等名
      KEK IPNS-IMSS-QUP workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-resolution low-frequency quantum sensing at ultra-low fields2022

    • 著者名/発表者名
      E. D. Herbschleb, Y. Ohki, K. Morita, Y. Yoshii, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, N. Mizuochi
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] High sensitive and high dynamic range quantum sensing with diamond semiconductors2021

    • 著者名/発表者名
      N. Mizuochi
    • 学会等名
      4th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems / 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (Joint Conference)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ダイヤモンドNV量子センサ研究の進展2021

    • 著者名/発表者名
      水落憲和
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] ダイヤモンドNV中心の量子状態制御2021

    • 著者名/発表者名
      水落憲和
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] ダイヤモンドを用いた高感度量子センサ開発研究2021

    • 著者名/発表者名
      水落憲和
    • 学会等名
      次世代センサ協議会 第59回センサ&アクチュエータ技術シンポジウム 量子センサ開発研究
    • 招待講演
  • [学会発表] Micron-scale high-resolution NMR spectroscopy using Nitrogen-Vacancy centers in diamond2021

    • 著者名/発表者名
      Izuru Ohki, Kohki Morita, Norikazu Mizuochi
    • 学会等名
      Joint conference of 22nd International Society of Magnetic Resonance Conference and 9th Asia-Pacific NMR Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Formation of Nitrogen-Vacancy centers in nanodiamonds: Dependence on Size and Type2021

    • 著者名/発表者名
      F. T.-K. So, A. I. Shames, D. Terada, T. Genjo, H. Morishita, I. Ohki, T. Ohshima, S. Onoda, H. Takashima, S. Takeuchi, E. Osawa, N. Mizuochi, R. Igarashi, M. Shirakawa, T. F. Segawa
    • 学会等名
      Joint conference of 22nd International Society of Magnetic Resonance Conference and 9th Asia-Pacific NMR Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Room Temperature Hyperpolarization of Polycrystalline Samples with Optically Polarized Triplet Electrons2021

    • 著者名/発表者名
      K. Miyanishi, T. F. Segawa, K. Takeda, I. Ohki, S. Onoda, T. Ohshima, H. Abe, H. Takashima, S. Takeuchi, A. I. Shames, K. Morita, Y. Wang, F. T.-K. So, D. Terada, R. Igarashi, A. Kagawa, M. Kitagawa, N. Mizuochi, M. Shirakawa, M. Negoro
    • 学会等名
      2021 Fall Materials Research Society (MRS) meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] ダイヤモンド量子センサの高感度化研究2021

    • 著者名/発表者名
      Ernst David Herbschleb
    • 学会等名
      応用物理学会固体量子センサ研究会 第2回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Remote Nuclear Magnetic Resonance Detected by Low- Frequency Quantum Sensing2021

    • 著者名/発表者名
      E. D. Herbschleb, Y. Ohki, K. Morita, Y. Yoshii, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, N. Mizuochi
    • 学会等名
      2021 Fall Materials Research Society (MRS) meeting
    • 国際学会
  • [図書] 量子センシングハンドブック2021

    • 著者名/発表者名
      根来 誠
    • 総ページ数
      336
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-661-2
  • [備考] 京都大学化学研究所無機フォトニクス材料研究領域HP

    • URL

      http://mizuochilab.kuicr.kyoto-u.ac.jp/

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公開日: 2022-12-28  

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