研究課題
ダイヤモンド中の単一NVセンターの電子スピンをセンサとして活用する量子計測によりタンパク質１分子の構造解析法の実現に挑む。ダイヤモンド表面近傍に形成した浅い単一NVセンターの直上表面に、水溶液中で特定の立体構造を持つタンパク質１分子を近接配置することにより、単一NVセンターを中心とする座標系において、タンパク質を構成する原子の核スピンの位置を高精度で計測できる技術を構築することが最終目標である。このために、2022年度は下記の計測の実行可能性を実験的に評価した。[1] 単一NVセンターを用いたNMR計測および検出範囲内の個々の標的核スピンの相対位置座標を計測するために、マイクロ波・レーザ光のパルス照射と単一光子検出を同期できるLab-madeの共焦点顕微鏡を改造して、安定で再現性の高い測定系の構築と高感度化を図る。[2] 表面近傍に形成した浅いNVセンターMW波パルスシーケンス制御により、選択的にノイズを除去（量子ロックイン検出等）することでコヒーレンス時間を延長し、さらに標的核スピンからのNMRシグナルのみを選択的に抽出する。この手法を用いて、タンパク質の構造解析の前段階の段階的な取り組みを始める。具体的には、固相系NMRへの拡張として、ダイヤモンド表面上に形成したフッ素単分子膜中のフッ素核スピンの検出を達成する。[3] 単一イオン注入の高い位置制御性を利用してダイヤモンド表面にナノ構造配列を形成するプロセスを構築し、個々のナノ構造中に単一NVセンターを形成するプロセスを構築する。ナノ構造の有する高感度化と量子ヘテロダイン法との統合により、NMR周波数分解能の向上を目指す。
2: おおむね順調に進展している
ダイヤモンド中の浅い単一NVセンターを用いて、ダイヤモンド表面に成長した有機シラン自己集積化単分子膜中の1Hや19F核スピン検出に成功した。また、ダイヤモンド表面に浅い単一NVセンターを有するナノピラーを形成するプロセスを構築し、NVセンターが放出する蛍光の光子収集率を向上させることに成功し、浅い単一NVセンターで量子ヘテロダイン計測が実行可能であることも実証した。これによりNMR周波数分解能を飛躍的に向上できる見込みを得た。したがって、ほぼ計画通りに研究が進捗している。
2022年度の実験的実行可能性評価を通して、浅いNVセンターのコヒーレンス時間は、1Hや19Fの核スピン計測に適用できることを確認できたが、その他の核スピン計測に同手法を拡張しようとすると、コヒーレンス時間が十分でなく、明瞭なNMRピークの取得に限界があることが判明した。そこで、最終目標を維持しつつ、実行可能性をより高めるために、当初の計画を若干修正して、単一NVセンターを用いたNMR計測および検出範囲内の個々の標的核スピンの相対位置座標を計測するために、マイクロ波・レーザ光のパルス照射と単一光子検出を同期できるLab-madeの共焦点顕微鏡を改造する。具体的には、光学定盤上に真空中で液体窒素温度でサンプルを冷却できる機構を自作・付加して、浅いNVセンターのコヒーレンス時間を長くできるようにするとともに、パルス光磁気共鳴計測が実行できる計測系を構築する。
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すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (11件)
Micromachines
巻: 14 ページ: 890
10.3390/mi14040890
Jpn. J. Appl. Phys.
巻: 未定 ページ: 未定
e-Journal of surface science and nanotechnology
