ダイヤモンド量子センシング

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26220602
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30276414)
• 研究分担者: 鹿田 真一 関西学院大学, 理工学部, 教授 (00415689) ; 原田 慶恵 京都大学, 学内共同利用施設等, 教授 (10202269) ; 渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 研究員 (50392684)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: 量子デバイス

研究実績の概要

2年度目を迎え、世界的にも本基盤Sの取り組みが注目されるようになった。国際会議招待講演依頼が、シリコン薄膜成長の国際会議（5月モントリオール）、半導体欠陥物理国際会議（7月ヘルシンキ）、そして本研究が目指すナノ領域NMRという枠組みの中で最も影響力が強いNanoMRI Conference（7月カナダWaterloo大学）、量子情報技術で重要なSpinTech VIII（8月チューリッヒ）とXIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information（10月ミンスク）と広い分野および地域から届いたことは、本プロジェクトに対する世界の関心の高さを示している。また2016年8月5～7日には研究代表者・伊藤が議長、本基盤Sが共催としてDiamond Quantum Sensing Workshop を高松で開催し、103名（内、外国から33名）の参加者に対して本基盤Sの成果を広く発信した。論文発表に関しては、ダイヤモンドを用いた量子センシングに必要な量子操作技術の開発をシリコンやゲルマニウムをプラットフォームとして実施した成果をNature, Nature Nanotechnology, Nano Letters, Physical Review Letters, Physical Review B, New Journal of Physics, Journal of Applied Physics誌に国際共著論文として発表し、その他、ダイヤモンド上に乗せて検知対象とすることに関連した成果をPhysical Review B, Applied Physics Letters, Japanese Journal of Physics誌に発表した。

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

慶應義塾大学においてはダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の様々な評価と量子センシング応用を実施するために必要な評価装置群の開発を行い、特に単一NVを量子センサーとして用いる装置系において世界的にみても最先端の性能を得ることに成功した。具体的には、1）単一NVを超高感度量子センサーとして利用するための評価およびセンサー実装装置、2）表面近傍に導入された高濃度のNV集合体中の個々のNVをピクセルとしてイメージングを実施するための装置群の開発を行った。1)の装置群では、マイクロ波工学、ナノ光学、計算機技術などを駆使して、単一NVを高い空間分解能でマッピングし、発光元がNVであることを分光器で確認する技術を確立した。また、直径1mmの領域で高強度の交流マイクロ波磁場を印加できるアンテナを設計・開発し（Review of Scientific Instruments誌投稿中）、さらに任意の単一NV任意の強度と方向の直流磁場を印加するシステムも開発することから、任意の単一NVをマイクロ波パルスによって自由自在に量子操作する装置系を完成させた。この装置を用いて、単一NVを用いた少数プロトン核磁場検出に平成28年度から取り組む。2）の装置系の開発も順調に推移しているうえ、高濃度NV試料の作製にHeイオン注入によって達成する技術の開発にも成功し、現在はApplied Physics Letters誌に投稿中である。
産業技術総合研究所においては、CVD法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長を続行した。京都大学においては、蛍光検出磁気共鳴顕微鏡装置により、生体試料中でもNV中心の蛍光像と磁気共鳴スペクトルを同時測定できることを実証した。関西学院大学においてはダイヤモンドを適切に微細加工するための条件出しを行った。
全体として、概ね順調に進展した。

今後の研究の推進方策

慶應義塾大学においてはダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)中心の様々な評価と量子センシング応用を実施する。試料群は以下の2種類に分ける。1）超高感度量子センサーとして利用するための単一NVが表面数nm近傍に配置された試料、2）高濃度のNV集合体が表面近傍に配置され、それぞれのNVセンサーをピクセルとしたイメージングを実施するための試料。1)の試料群では、ダイヤモンド表面近傍に置かれたNVを用いて、表面上に置かれた「外部核スピンの検知」に取り組む。2）の試料群では、NV濃度を上げていくことに従い短縮されてしまうコヒーレンスを定量的に評価し、NV集合体を用いたセンシング感度を定量的に明らかにする。このことからNV集合体の適正濃度を決定する。
産業技術総合研究所においては、CVD法を用いたC-12ダイヤモンド薄膜成長を続行する。上述の試料群1）と2）の作製に加えて、NVを活性化するための新しい高温熱処理方法、成長に用いるプラズマ周波数の調整、空孔の量を増やすためのHeイオン注入など開発を行う。
京都大学においては、研究分担者・原田がダイヤモンド中のNVセンサーを用いたバイオイメージング研究を続行する。蛍光検出磁気共鳴顕微鏡装置により、生体試料中でもNV中心の蛍光像と磁気共鳴スペクトルを同時測定できるため、ダイヤモンド試料群の磁場感度および生体計測適用性を調べるために、磁性微粒子あるいはスピンラベル分子を結合させた、生体細胞あるいはタンパク質分子を準備し、磁気共鳴蛍光イメージングによりそれらの運動や磁場分布を測定する。
関西学院大学においては、センシング素子の目的に合わせて必要とされるダイヤモンド微細加工に取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Laser-Assisted Field Evaporation and Three-Dimensional Atom-by-Atom Mapping of Diamond Isotopic Homojunctions (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Mukherjee, H. Watanabe, D. Isheim, D. N. Seidman, and O. Moutanabbir
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 16 ページ: 1335－1344
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04728
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 29Si Nuclear Spins as a Resource for Donor Spin Qubits in Silicon (2016)
  • 著者名/発表者名: G. Wolfowicz, P.-A. Mortemousque, R. Guichard, S. Simmons, M. L. W. Thewalt, K. M. Itoh, and J. J. L. Morton
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 18 ページ: 023021-1-7
  • DOI: 10.1088/1367-2630/18/2/023021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of Segregation of the Phosphorus δ-Doping Layer in Germanium by Incorporation of Carbon (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, K. Sawano, M. Uematsu, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 031304-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.031304
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Carbon Situating at End-of-Range Defects on Silicon Self-Diffusion Investigated Using Pre-Amorphized Isotope Multilayers (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Isoda, M. Uematsu, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 036504-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.036504
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interfacial Spin-Glass-Like State in Mn5Ge3 Single Crystalline Films Grown on Germanium Substrates (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Truong, A. O. Watanabe, P. A. Mortemousque, K. Ando, T. Sato, T. Taniyama, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 ページ: 214425-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.214425
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Phonon Engineering in Isotopically Disordered Silicon Nanowires (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Mukherjee, U. Givan, S. Senz, A. Bergeron, S. Francoeur, M. de la Mata, J. Arbiol, T. Sekiguchi, K. M. Itoh, D. Isheim, D. N. Seidman, and O. Moutanabbir
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 15 ページ: 3885-3893
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00708
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of Silicon Self-Diffusion Enhanced by the Strain Originated from End-of-Range Defects Using Isotope Multilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Isoda, M. Uematsu, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 118 ページ: 115716-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4931421
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of Surface Segregation of the Phosphorous δ-Doping Layer by Insertion of an Ultra-Thin Silicon Layer for Ultra-Shallow Ohmic Contacts on n-Type Germanium (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, K. Sawano, M. Uematsu, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 132101-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4931939
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Two-Qubit Logic Gate in Silicon (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Veldhorst, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, W. Huang, J. P. Dehollain, J. T. Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, and A. S. Dzurak
  • 雑誌名: Nature 巻: 526 ページ: 410-414
  • DOI: 10.1038/nature15263
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-Orbit Coupling and Operation of Multivalley Spin Qubits (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Veldhorst, R. Ruskov, C. H. Yang, J. C. C. Hwang, F. E. Hudson, M. E. Flatt´e, C. Tahan, K. M. Itoh, A. Morello, and A. S. Dzurak
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 201401-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.201401
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron Spin Coherence of Shallow Donors in Natural and Isotopically Enriched Germanium (2015)
  • 著者名/発表者名: A. J. Sigillito, R. M. Jock, A. M. Tyryshkin, J.W. Beeman, E. E. Haller, K. M. Itoh, and S. A. Lyon
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 ページ: 247601-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.247601
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bell’s Inequality Violation with Spins in Silicon (2015)
  • 著者名/発表者名: J. P. Dehollain, S. Simmons, J. T. Muhonen, R. Kalra, A. Laucht, F. Hudson, K. M. Itoh, D. N. Jamieson, J. C. McCallum, A. S. Dzurak, and A. Morello
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 11 ページ: 242-246
  • DOI: 10.1038/NNANO.2015.262.
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low Symmetry Configurations of Vacancy-Oxygen Complexes in Irradiated Silicon (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kusano, H. Saito, L. S. Vlasenko, M. P. Vlasenko, E. Ohta, and K. M. Itoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 118 ページ: 245703-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4938199
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 微細加工基板上化学気相成長により生成した高配向率を有するダイヤモンド中窒素空孔中心のスピン特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤田留士郎、西條蒼野、渡邊幸志、赤羽浩一、伊藤公平、早瀬潤子
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] ダイヤモンド中電子スピンの光検出磁気共鳴イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡崎 睦、藤田留士郎、渡邊幸志、赤羽浩一、門内靖明、伊藤公平、早瀬潤子
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] ダイヤモンドNV中心の生成制御と量子センシング (2016)
  • 著者名/発表者名: 早瀬潤子
  • 学会等名: 第71回日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
  • 招待講演
• [学会発表] The New Bioimaging Method Using Fluorescent Diamond Nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Harada
  • 学会等名: MANA International Symposium 2016
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-03-09 – 2016-03-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンド量子センシングデバイス (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志、柏谷 聡、吉澤 明男、馬渡 康徳
  • 学会等名: nano tech 2016 第15回 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議
  • 発表場所: 東京ビッグサイト（東京都江東区）
  • 年月日: 2016-01-27 – 2016-01-29
  • 国際学会
• [学会発表] ダイヤモンド量子センシング (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公平
  • 学会等名: 2015年度応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「極限計測の科学と技術」
  • 発表場所: 東京大学山中寮内藤セミナーハウス（山梨県南都留郡）
  • 年月日: 2015-12-18 – 2015-12-20
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a New Fluorescence Imaging Technique Using Diamond Nanoparticles (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Harada
  • 学会等名: International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015
  • 発表場所: Hawaii (USA)
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 蛍光性ナノダイヤモンドによる超解像イメージング及び角度計測に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 外間進悟、五十嵐龍治、杤尾豪人、原田慶恵、白川昌宏
  • 学会等名: 第38回分子生物学会年会・第88回生化学会大会合同大会（BMB2015）
  • 発表場所: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [学会発表] Engineered Nitrogen-vacancy Centers in Diamond for Quantum Sensing (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Ishi-Hayase, H. Watanabe, and K. M. Itoh
  • 学会等名: EMN Meeting on Vacuum Electronics
  • 発表場所: Las Vegas (USA)
  • 年月日: 2015-11-21 – 2015-11-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spatially Selective Creation of Nitrogen-Vacancy Centers with Preferential Orientation in an Isotopically-Purified Diamond Thin Film (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Ishi-Hayase, H. Watanabe, and K. M. Itoh
  • 学会等名: XIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information (ICQOQI'2015)
  • 発表場所: Minsk (Belarus)
  • 年月日: 2015-10-27 – 2015-10-30
• [学会発表] 1分子分析を実現する高感度・高空間分解能量子センサ技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 幸志、柏谷 聡、吉澤 明男、馬渡 康徳
  • 学会等名: 産総研テクノブリッジフェア
  • 発表場所: 産業技術総合研究所（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-10-22 – 2015-10-23
• [学会発表] Application of fluorescent diamond nanoparticles to bio-imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Igarashi, S. Sotoma, M. Shirakawa, and Y. Harada
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] 1分子分析を実現する高感度・高空間分解能量子センサー技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志
  • 学会等名: VACUUM2015 真空展
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-10
• [学会発表] The Role of Isotope Engineering in Silicon and Diamond Quantum Information Processing (2015)
  • 著者名/発表者名: K. M. Itoh
  • 学会等名: 8th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SpinTech VIII)
  • 発表場所: Basel (Switzerland)
  • 年月日: 2015-08-10 – 2015-08-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Application of Fluorescent Diamond Nanoparticles to Bio-Imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Harada
  • 学会等名: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場（香川県高松市）
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Diamond Growth for Nanoscale NMR Sensing (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Watanabe, and K. M. Itoh
  • 学会等名: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場（香川県高松市）
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Toward Mass Production of Low Dislocation Intrinsic Diamond Substrate by CVD (2015)
  • 著者名/発表者名: S.Shikata
  • 学会等名: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場（香川県高松市）
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Wide-Field Orientation Imaging of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Okazaki, S. Miyamoto, H. Watanabe, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase
  • 学会等名: Diamond Qutantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場（香川県高松市）
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Properties of Nitrogen-Vacancy Centers Created Using Chemical Vapor Deposition on Micropatterned Substrate (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Fujita, H. Watanabe, K. M. Itho, and J. Ishi-Hayase
  • 学会等名: Diamond Qutantum Sensing Workshop 2015
  • 発表場所: かがわ国際会議場（香川県高松市）
  • 年月日: 2015-08-05 – 2015-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Isotopically Enriched C Diamond CVD Layers for NanoMRI (2015)
  • 著者名/発表者名: K. M. Itoh and T. Sekiguchi
  • 学会等名: 5th annual NanoMRI Conference
  • 発表場所: Waterloo (Canada)
  • 年月日: 2015-07-27 – 2015-07-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Control of Position and Orientation of Nitrogen-Vacancy Centers in CVD-Grown Diamond Thin FilmControl of Position and Orientation of Nitrogen-Vacancy Centers in CVD-Grown Diamond Thin Film (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Ishi-Hayase, H. Watanabe, and K. M. Itoh
  • 学会等名: 28th International Conference on Defects in Semiconductors
  • 発表場所: Helsinki (Finland)
  • 年月日: 2015-07-27 – 2015-07-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンド半導体バンドギャップエネルギーの同位体効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊幸志、是常隆、中島信一、斎藤晋、鹿田真一
  • 学会等名: 理研-産総研量子技術イノベーションコアWorkshop
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2015-06-01
• [学会発表] Isotope Composition Dependence of the Band-Gap Energy in Diamond (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Watanabe, T. Koretsune, S. Nakashima, S. Saito and S. Shikata
  • 学会等名: 9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2015
  • 発表場所: Shizuoka GRANSHIP（静岡県静岡市）
  • 年月日: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • 国際学会
• [学会発表] Isotopically Engineered Silicon and Diamond for Quantum Information Processing (2015)
  • 著者名/発表者名: K. M. Itoh and T. Sekiguchi
  • 学会等名: The 9th International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-9)
  • 発表場所: Montreal (Canada)
  • 年月日: 2015-05-18 – 2015-05-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 発光の事典 ―基礎からイメージングまで― (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田慶恵
  • 総ページ数: 788 (558-561)
  • 出版者: 朝倉書店
• [備考] 慶應義塾大学伊藤研究室ホームページ
  • URL: http://www.appi.keio.ac.jp/Itoh_group/index.html