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2023 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  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 主任研究員 (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 / 発光中心 / イメージング / ナノダイヤモンド / NV中心 / 量子センサ
研究実績の概要

令和5年度は、核磁気共鳴(NMR)応用のための新たな量子センシング手法を考案した。窒素-空孔(NV)中心を用いたNMR計測の先行研究における手法の課題として、ヘテロダイン検波を元にしているものの、単相検波であることが挙げられる。単相検波では、基準周波数からのずれが測定値として得られ、高低どちらのずれかは原理的に不明である。そこで本研究では、受信機位相を任意に設定可能な量子測定手法を新たに考案した。これにより、NV中心を用いた極少量NMR(NV-NMR)において直交検波が可能となり、更に従来NMRにおいて使用される位相系手法のNV-NMR への導入が実現する。今回、交流磁場測定を行い、直交検波を実証した。また僅かな位相、振幅ずれによる誤差を修正する手法を導入して補正を検証した。更に、二次元NMRでの位相回しによるコヒーレンス選択を行い、シミュレーション結果と比較して期待通りの結果を得た。
また、本研究ではイメージングにも重要となるナノダイヤモンド(ND)の中でも、小粒径のNDを安価かつ大量に得られる爆轟法ND(DND)に注目し、DND中のNV中心、GeV中心を用いた温度センシングを実施した。結果の一つとして、独自に開発したDND中に、強く安定した光検出磁気共鳴信号を持つNV中心を多数計測することに成功した。これにより、NV中心を含むDNDでは初めて温度感度計測を実現した。これまでに温度感度が計測されたNDの最小粒径は、NV中心を含むもので約50nmであった。細胞核等の細胞小器官への導入には粒径30nm以下が望まれていたが、本研究で用いたDNDは透過型電子顕微鏡による粒径分布からDNDの平均粒径は11.2 nmと確認し、温度感度を計測したダイヤモンドセンサとして世界最小径である。感度測定では, DNDの凝集体で0.36 K/(Hz)1/2と確認された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Small multimodal thermometry with detonation-created multi-color centers in detonation nanodiamond2024

    • 著者名/発表者名
      So Frederick T.-K.、Hariki Nene、Nemoto Masaya、Shames Alexander I.、Liu Ming、Tsurui Akihiko、Yoshikawa Taro、Makino Yuto、Ohori Masanao、Fujiwara Masanori、Herbschleb Ernst David、Morioka Naoya、Ohki Izuru、Shirakawa Masahiro、Igarashi Ryuji、Nishikawa Masahiro、Mizuochi Norikazu
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 12 ページ: 0511021

    • DOI

      10.1063/5.0201154

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Germanium-vacancy centers in detonation nanodiamond for all-optical nanoscale thermometry2023

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Masanori、Fu Haining、Hariki Nene、Ohki Izuru、Makino Yuto、Liu Ming、Tsurui Akihiko、Yoshikawa Taro、Nishikawa Masahiro、Mizuochi Norikazu
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 ページ: 181903

    • DOI

      10.1063/5.0168194

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dopant-assisted stabilization of negatively charged single nitrogen-vacancy centers in phosphorus-doped diamond at low temperatures2023

    • 著者名/発表者名
      Geng Jianpei、Shalomayeva Tetyana、Gryzlova Mariia、Mukherjee Amlan、Santonocito Santo、Dzhavadzade Dzhavid、Dasari Durga Bhaktavatsala Rao、Kato Hiromitsu、St?hr Rainer、Denisenko Andrej、Mizuochi Norikazu、Wrachtrup J?rg
    • 雑誌名

      npj Quantum Information

      巻: 9 ページ: 110

    • DOI

      10.1038/s41534-023-00777-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Compact and portable quantum sensor module using diamond NV centers2023

    • 著者名/発表者名
      Deguchi Hiroshige、Hayashi Tsukasa、Saito Hiroya、Nishibayashi Yoshiki、Teramoto Minori、Fujiwara Masanori、Morishita Hiroki、Mizuochi Norikazu、Tatsumi Natsuo
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 062004~062004

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acd836

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ナノダイヤモンド中のN V 中心を用いた高感度磁気センシングに向けて2024

    • 著者名/発表者名
      神山 直也 , 藤原 正規,森岡 直也, 西川 哲理,鈴木 智達, 神長 輝一, 五十嵐 龍治,水落 憲和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Quantum sensing with NV centers in diamond for light dark matter search2023

    • 著者名/発表者名
      N. Mizuochi
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Quantum-field Measurement Systems for Studies of the Universe, Particles, and Other Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Manipulation and creation of NV centers in diamond by laser irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      N. Mizuochi
    • 学会等名
      The 12th Asia-Pacific Laser Symposium (APLS 2023)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Creation of nitrogen-vacancy centers in diamond over a wide region by single-shot femtosecond laser pulse2023

    • 著者名/発表者名
      M. Fujiwara
    • 学会等名
      The 65th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超短レーザーパルスによるダイヤモンド量子センサ源の作製2023

    • 著者名/発表者名
      水落憲和
    • 学会等名
      多元技術融合光プロセス研究会2023年度第3回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] NV 中心による二次元 NMR を目指した直交検波手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      森田 航希,大木 出,徳田 規夫, 水落 憲和
    • 学会等名
      応用物理学会秋季大会
  • [学会発表] Coherence-based quantum sensing of low-frequency fields2023

    • 著者名/発表者名
      Ernst David Herbschleb, Izuru Ohki, Kohki Morita, Yoshiharu Yoshii, Hiromitsu Kato, Toshiharu Makino, Satoshi Yamasaki, Norikazu Mizuochi
    • 学会等名
      応用物理学会秋季大会
  • [学会発表] TBP による(111)面リンドープ n 型ダイヤモンド膜のホール移動度2023

    • 著者名/発表者名
      川島 宏幸,川瀬 凜久,加藤 宙光,徳田 規夫,山崎 聡, 小倉 政彦,牧野 俊晴,森岡 直也,水落 憲和
    • 学会等名
      応用物理学会秋季大会
  • [学会発表] 圧力によるCVD ダイヤモンドの 不純物取り込み制御と NV中心コヒーレンス時間の改善2023

    • 著者名/発表者名
      川瀬 凜久,川島 宏幸,加藤 宙光,徳田 規夫, 山崎 聡 , 小倉 政彦,牧野 俊晴,水落 憲和
    • 学会等名
      第37回ダイヤモンドシンポジウム
  • [学会発表] TBP を用いた(111)面リンドープ n 型ダイヤモンド膜のホール移動度の向上2023

    • 著者名/発表者名
      川島 宏幸,川瀬 凜久,加藤 宙光,徳田 規夫,山崎 聡, 小倉 政彦,牧野 俊晴,森岡 直也,水落 憲和
    • 学会等名
      第37回ダイヤモンドシンポジウム
  • [学会発表] Quantum sensing of low-frequency fields2023

    • 著者名/発表者名
      E.D. Herbschleb, I. Ohki, K. Morita, Y. Yoshii, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, and N. Mizuochi
    • 学会等名
      The American Physical Society's March Meeting 2024 (APS2024)
    • 国際学会
  • [学会発表] Robust quantum sensing via statistics2023

    • 著者名/発表者名
      E. D. Herbschleb, S. Chigusa, R. Kawase, H. Kawashima, M. Hazumi, K. Nakayama, N. Mizuochi
    • 学会等名
      The American Physical Society's March Meeting 2024 (APS2024)
    • 国際学会
  • [図書] スピントロニクスハンドブック2024

    • 著者名/発表者名
      監修者 佐橋政司, 湯浅新治, 遠藤哲郎)、分担執筆者 水落憲和
    • 総ページ数
      760
    • 出版者
      (株)エヌ・ティー・エス
  • [備考] 研究室HP

    • URL

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

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公開日: 2024-12-25  

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