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2016 年度 実績報告書

ダイヤモンド量子センシング

研究課題

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(矢上), 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, 物質-細胞統合システム拠点, 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, 主任研究員 (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

本研究では同位体操作技術に基づくダイヤモンドNVセンサーの性能向上と、ダイヤモンドセンシング装置系構築を有機的に組み合わせながら開発することで、競争が激しい本分野において世界トップレベルの研究を実施している。
量子センシングに不可欠な、NVセンサー量子操作用の広視野・高均一・高強度交流周波数発生用のアンテナ(Review of Scientific Instruments)、円偏光マイクロ波発生源(Applied Physics Letters)、ダイヤモンドNVセンサー作製技術(IEEE Transaction on Nanotechnology)、高密度・長寿命NVセンサー作製技術(Applied Physics Letters)などの開発を行い、それぞれカッコ内に示した専門学術誌に論文を発表した。関連研究として、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Nanotechnology, Physical Review Letters, Physical Review B(3通)に国際共著論文として発表した。
さらに、国際会議招待講演を、2016 欧州Materials Research Society Spring Meeting(5月リール、フランス)、QTech2016(6月北京)、7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces(6月名古屋)、International School on Spintronics and Spin-Orbitronics(12月福岡)、2017 Sweden-Japan International Workshop on Quantum Nanophysics and Nanoelectronics(3月横浜)から依頼されたことから、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。

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

NV量子センサーの感度はコヒーレンスで決まるため100マイクロ秒あればNV から測定対象の距離(すなわちダイヤモンド表面からのNVの浅さ)は5nm、10マイクロ秒では2-3nm程度が目安となる。この単一極浅・長コヒーレンスNVペア作製のために2種類の手法を採用した。
1つ目はプラズマCVD成長中に、天然存在比が極めて低い15N同位体を添加することで、ダイヤモンドバルク中に自然に存在する14NVと、表面近傍に意図的に添加された15NVを見分けるものである。系統的な実験を行い、表面から5nm以内の浅さにコヒーレンス時間が10μ秒以上の単一NVが生成できることを明らかにした。このコヒーレンスはマイクロ波パルス手法で100μ秒以上に延長できるために当初目標のコヒーレンス獲得に成功した。
2つ目は、ダイヤモンド表面上に意図的に堆積したSiO_2薄膜をとおして窒素イオン注入を行い、ダイヤモンド表面付近に15NVを集中的に分布させる手法の開発である。表面SiO_2薄膜の厚さtを0から72nmまで増やし、その膜をとおして15Nイオン注入すると、0nmでは試料全面からNV発光が確認されるのに対し、72nmでは単一NVからの発光が得られた。さらに系統的に単一NVの電子スピン共鳴を実施したところ、13Cと15N核スピン相互作用に基づくスペクトルがあるNVに対して得られた。ダイヤモンド内部とはいえ、単一NV電子スピンを用いて、単一窒素核スピンと、単一炭素核スピンを検知するという当初目標を達成した成果である。
また複数のNV群をピクセルとしてイメージングに応用する目的のためにも良い試料を作製する必要がある。そこでCVD成長を最適化し、1e17/cm^3の超高濃度のNVにおいて共鳴線幅200kHzという画期的なセンサー試料を作ることに成功した。

今後の研究の推進方策

NVセンサー直上のダイヤモンド表面に原子等を置き、単一原子核スピンにより生じる磁場(磁力線の向きと強さ)をNVで測定する。昨年開発したアンテナでNV電子スピンをパルス操作し、現在開発中の3次元イメージングプロトコールで原子核スピンの向きや分布を測定する。その向きをNVペアの電子スピンで測定することで、単一核スピンNMR測定が達成できる。
イメージングでは、多数のNVピクセルを用いて、ダイヤモンド上におかれた測定対象の磁場・電場・温度マッピングが撮影する。
一方、単一核磁場と思われる信号を得たとしても、それが実際に目的とする核種によるものかを明確に示す事は一筋縄ではいかない。この問題を解決するために今後はダイヤモンド試料から13C同位体を徹底的に排除するうえ、場合によっては液体ヘリウム温度に冷やしてNV電子スピン共鳴の線幅を狭めるなどの工夫を重ねながら、最終目標の室温における量子センシング動作に必要なNV電子スピンパルス操作方法を開発していく。
バイオセンシングに関しては、NV中心の6つの励起状態スペクトルを解析することで周囲電場の変化を捉える方法に着目し、微細加工ダイヤに生きた細胞をはめ込むことにより、通常のセンサーでは検知できない微小電場を検知することを目指す。溝付きダイヤモンドサンプルを作製し、その中に膜タンパク質を発現させたリポソームあるいは生細胞を置き、様々な刺激に対する電位応答の時間変化を計測することを目指す。ただし、現時点での問題は、1回がミリ秒オーダーのランダムなイオンの出入りに対して、十分に速い測定がNVセンサーできるかが不明なことである。イオンの出入りのようにこれまで測定されていない現象を対象とするため、どのような時間オーダーが必要かについて系統的に調べる実験を重ねる。

  • 研究成果

    (37件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 6件、 査読あり 12件、 謝辞記載あり 11件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 12件、 招待講演 10件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Evaluation of p+ HPHT Diamond Substrate for Power Device Application2017

    • 著者名/発表者名
      S. Shikata, Y. Tsuchida, K.Yamaguchi, E.Kamei, D.Fukunaga, Y.Tabuchi and N.Ohtani
    • 雑誌名

      Diamond and Related Materials

      巻: 73 ページ: 241-247

    • DOI

      http://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.10.001

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] X-Ray Absorption Fine Structure Study on Heavily P Doped (111) and (001) Diamond2017

    • 著者名/発表者名
      S. Shikata, K.Yamaguchi, A.Fujiwara, Y.Tamenori, J.Yahiro, M.Kunisu and T.Yamada
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 110 ページ: 072106-1-4

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4975062

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Quadrupole Shift of Nuclear Magnetic Resonance of Donors in Silicon at Low Magnetic Field2016

    • 著者名/発表者名
      P. A. Mortemousque, S. Rosenius, G. Pica, D. P. Franke, T. Sekiguchi, A. Truong, M. P. Vlasenko, L. S. Vlasenko, M. S. Brandt, R. G. Elliman, and K. M. Itoh
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 27 ページ: 494001-1-8

    • DOI

      10.1088/0957-4484/27/49/494001

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Polarization- and Frequency-Tunable Microwave Circuit for Selective Excitation of Nitrogen-Vacancy Spins in Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      J. Herrmann, M. A. Appleton, K. Sasaki, Y. Monnai, T. Teraji, K. M. Itoh, and E. Abe
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 109 ページ: 183111-1-4

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4967378

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Breaking the Rotating Wave Approximation for a Strongly Driven Dressed Single-Electron Spin2016

    • 著者名/発表者名
      A. Laucht, S. Simmons, R. Kalra, G. Tosi, J. P. Dehollain, J. T. Muhonen, S. Freer, F. E. Hudson, K. M. Itoh, D. N. Jamieson, J. C. McCallum, A. S. Dzurak, and A. Morello
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 94 ページ: 161302-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.94.161302

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Large Stark Tuning of Donor Electron Spin Qubits in Germanium2016

    • 著者名/発表者名
      A. J. Sigillito, A. M. Tyryshkin, J. W. Beeman, E. E. Haller, K. M. Itoh, and S. A. Lyon
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 94 ページ: 125204-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.94.125204

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Formation of Nitrogen-Vacancy Centers in Homoepitaxial Diamond Thin Films Grown via Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition2016

    • 著者名/発表者名
      H. Watanabe, H. Umezawa, T. Ishikawa, K. Kaneko, S. Shikata, J. Ishi-Hayase, and K. M. Itoh
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Nanotechnology

      巻: 15 ページ: 614-618

    • DOI

      10.1109/TNANO.2016.2528678

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Broadband, Large-Area Microwave Antenna for Optically Detected Magnetic Resonance of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki, Y. Monnai, S. Saijo, R. Fujita, H. Watanabe, J. Ishi-Hayase, K. M. Itoh, and E. Abe
    • 雑誌名

      Rev. Sci. Instrum.

      巻: 87 ページ: 053904-1-5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4952418

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High Density Nitrogen-Vacancy Sensing Surface Created Via He+ Ion Implantation of 12C Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      E. E. Kleinsasser, M. M. Stanfield, J. K. Q. Banks, Z. Zhu, W.-D. Li, V. M. Acosta, H. Watanabe, K. M. Itoh, and K.-M. C. Fu
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 108 ページ: 202401-1-4

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4949357

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Quadrupolar Effects on Nuclear Spins of Neutral Arsenic Donors in Silicon2016

    • 著者名/発表者名
      D. P. Franke, M. P. D. Pfuger, P.-A. Mortemousque, K. M. Itoh, and *M. S. Brandt
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 93 ページ: 161303-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.161303

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Nuclear Spin Decoherence of Neutral 31P Donors in Silicon: Effect of Environmental 29Si Nuclei2016

    • 著者名/発表者名
      E. S. Petersen, A. M. Tyryshkin, J. J. L. Morton, E. Abe, S. Tojo, K. M. Itoh, M. L. W. Thewalt, and S. A. Lyon
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 93 ページ: 161202-1-4

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.161202

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Reversible Morphological Control of Tubulin-Encapsulating Giant Liposomes by Hydrostatic Pressure2016

    • 著者名/発表者名
      M. Hayashi, M. Nishiyama, Y. Kazayama, T. Toyota, Y. Harada, and K. Takiguchi
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 32(15) ページ: 3794-3802

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.6b00799

    • 査読あり
  • [学会発表] Isotope Engineering of Silicon and Diamond for Quantum Information Processing2017

    • 著者名/発表者名
      K. M. Itoh and T. Sekiguchi
    • 学会等名
      2017 Sweden-Japan International Workshop on Quantum Nanophysics and Nanoelectronics
    • 発表場所
      PACIFICO Yokohama(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-23 – 2017-03-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Studies on Biomolecules Using Single-Molecule Imaging Technique2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Harada
    • 学会等名
      RIKEN Joint Retreat 2017
    • 発表場所
      Hamanako Royal Hotel(静岡県浜松市)
    • 年月日
      2017-02-02 – 2017-02-03
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Spintronics2016

    • 著者名/発表者名
      K .M. Itoh
    • 学会等名
      International School on Spintronics and Spin-Orbitronics
    • 発表場所
      Kyushu University(福岡県福岡市)
    • 年月日
      2016-12-16 – 2016-12-17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Tracking Electron Spin Property of Single Nitrogen Vacancy Centres in Nanodiamonds through pH Change in Aqueous Buffer Solutions2016

    • 著者名/発表者名
      M. Fujiwara, Y. Tsukahara , Y. Sera, S. Shikata and H. Hashimoto
    • 学会等名
      Joint 13th Asia Pacific Physics Conference and 22nd Australian Institute of Physics Conference
    • 発表場所
      Brisbane (Australia)
    • 年月日
      2016-12-04 – 2016-12-08
    • 国際学会
  • [学会発表] Prototype Magnetometer with Diamond NV Centers for Scalable Applications2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Hatano, K. Tahara, T. Iwasaki, S. Yasuda, Y. Harada, and M. Hatano
    • 学会等名
      2016 MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      Boston (USA)
    • 年月日
      2016-11-27 – 2016-12-02
    • 国際学会
  • [学会発表] 1分子イメージング技術による生体分子の機能解析2016

    • 著者名/発表者名
      原田慶恵
    • 学会等名
      15th IPR Retreat
    • 発表場所
      大阪大学銀杏会館(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2016-11-22
  • [学会発表] ソリッドステート方式マイクロ波源を用いたマイクロ波プラズマCVD法によるホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜の合成2016

    • 著者名/発表者名
      渡邊幸志、石川豊史、伊藤公平
    • 学会等名
      第30回ダイヤモンドシンポジウム
    • 発表場所
      東京大学駒沢リサーチキャンパス(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-11-16 – 2016-11-18
  • [学会発表] ナノダイヤモンド窒素欠陥中心の電子スピン特性と表面処理2016

    • 著者名/発表者名
      藤原正澄、塚原隆太、世良佳彦、鹿田真一、橋本秀樹
    • 学会等名
      応用物理学会関西支部平成28年第2回講演会「光・ナノ・バイオの融合 基礎~応用:エネルギーから医療まで」
    • 発表場所
      関西学院大学(兵庫県西宮市)
    • 年月日
      2016-10-07
  • [学会発表] ナノダイヤモンドNV中心の電子スピン特性評価と生体応用可能性2016

    • 著者名/発表者名
      藤原正澄、塚原隆太、世良佳彦、鹿田真一、橋本秀樹
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] ダイヤモンド中NV中心集合体のパルス光検出磁気共鳴イメージング2016

    • 著者名/発表者名
      岡崎 睦、渡邊幸志、赤羽浩一、門内靖明、佐々木健人、伊藤公平、早瀬潤子
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] Functional Analysis of Biomolecules using Single-molecule Imaging Technique2016

    • 著者名/発表者名
      原田慶恵
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] からだの中の分子のはたらき2016

    • 著者名/発表者名
      原田慶恵
    • 学会等名
      第56回生物物理若手の会夏の学校メインシンポジウム
    • 発表場所
      支笏湖ユースホテル(北海道千歳市)
    • 年月日
      2016-09-02 – 2016-09-05
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnetic-Field Sensitivity and Spin Properties of High Density Ensemble of Nitrogen-Vacancy Centers with a Narrow Resonance Linewidth2016

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki, E. E. Kleinsasser, M. E. Stanfield, J. K. Q. Banks, Z. Zhu, W.-D. Li, V. M. Acosta, H. Watanabe, K.-M. C. Fu, K. M. Itoh, and E. Abe
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      Kobe Convention Center(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Wide-Field Orientation Imaging of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      M. Okazaki, R. Fujita, I. Hanano, H. Watanabe, K. Akahane, Y. Monnai, K. M. Itoh, and J. Ishi-Hayase
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      Kobe Convention Center(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Preferentially-Oriented Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond Created Using Chemical Vapor Deposition on a Micropatterned (001) Substrate2016

    • 著者名/発表者名
      R. Fujita, S. Saijo, I. Hanano, H. Watanabe. K. Akahane, Y. Monnai, K. M. Itoh, and J. Ishi-Hayase
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      Kobe Convention Center(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic Field Sensing Using Preferentially-Oriented Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      S. Saijo, H. Watanabe, Y. Monnai, S. Kitazawa, R. Fujita, Y. Matsuzaki, K. M. Itoh, and J. Ishi-Hayase
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      Kobe Convention Center(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of RuvA-RuvB-Holliday Junction DNA Complex Formation Process2016

    • 著者名/発表者名
      Y.-W. Han, T. Iwasa, K. Nakao, and Y. Harada
    • 学会等名
      Gordon Research Conference “Single Molecule Approaches to Biology”
    • 発表場所
      Hong Kong (China)
    • 年月日
      2016-07-03 – 2016-07-08
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子コンピュータ最前線2016

    • 著者名/発表者名
      伊藤公平
    • 学会等名
      CRYPTRECシンポジウム
    • 発表場所
      品川シーズンテラスカンファレンス(東京都港区)
    • 年月日
      2016-06-27
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Sensing with Isotopically Purified 12C Diamond2016

    • 著者名/発表者名
      K. M. Itoh, K. Sasaki, H. Watanabe, and E. abe
    • 学会等名
      7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VII)
    • 発表場所
      Nagoya University(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] シリコン量子コンピューティング2016

    • 著者名/発表者名
      伊藤公平
    • 学会等名
      第34回量子情報技術研究会(QIT34)
    • 発表場所
      高知大学(高知県高知市)
    • 年月日
      2016-05-30 – 2016-05-31
    • 招待講演
  • [学会発表] Application of Fluorescent Nanodiamonds to Bio-Imaging2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Harada
    • 学会等名
      The 2nd Biomedical Imaging and Sensing Conference 2016
    • 発表場所
      PACIFICO Yokohama(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2016-05-18 – 2016-05-20
    • 招待講演
  • [学会発表] High Density, Narrow Linewidth, Near-Surface Nitrogen-Vacancy Centers for Diamond-Based Magnetometry2016

    • 著者名/発表者名
      E. Abe
    • 学会等名
      China-Japan Inetrnational Workshop on Quantum Technologies (QTech2016)
    • 発表場所
      Beijing (China)
    • 年月日
      2016-05-13 – 2016-05-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of a New Fluorescence Imaging Technique Using Nanodiamonds2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Harada
    • 学会等名
      E-MRS 2016 Spring Meeting
    • 発表場所
      Lille (France)
    • 年月日
      2016-05-02 – 2016-05-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 慶應義塾大学伊藤研究室ホームページ

    • URL

      https://www.appi.keio.ac.jp/Itoh_group/index.html

  • [産業財産権] ダイヤモンドを合成する方法、マイクロ波発生装置及びプラズマ処理装置2016

    • 発明者名
      渡邊幸志、佐藤和行、永塚賢治、木山信道、伊藤公平
    • 権利者名
      渡邊幸志、佐藤和行、永塚賢治、木山信道、伊藤公平
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-221524
    • 出願年月日
      2016-11-14

URL: 

公開日: 2018-01-16  

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