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2018 Fiscal Year Final Research Report

Diamond quantum nano-sensor with high sensitivity and high resolution

Research Project

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Project/Area Number 16H02088
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Nanomaterials engineering
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Mizuochi Norikazu  京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311)

Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha) Yamasaki Satoshi  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 総括研究員 (80358241)
Kato Hiromitsu  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 主任研究員 (00415655)
Tokuda Norio  金沢大学, 電子情報学系, 教授 (80462860)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsダイヤモンド / 量子センサ / NV中心 / コヒーレンス時間 / T2
Outline of Final Research Achievements

Solid-state single spins are promising resources for quantum sensing, quantum-information processing and quantum networks, because they are compatible with scalable quantum-device engineering. Here, we demonstrate the synthesis and application of phosphorus-doped n-type single-crystal chemical vapour deposition diamond with remarkably long spin-coherence times. Contrary to widespread belief, the doping with an impurity (phosphorus) reduced the magnetic noise from the residual paramagnetic defects. Being placed in such a spin-free lattice, single electron spins show the longest inhomogeneous spin-dephasing time and Hahn-echo spin-coherence time ever observed in room-temperature solid-state systems. Also, we show that they have the best magnetic-field sensitivity with a single electron spin at room temperature. From analysing the noise spectrum, while not being limited by nuclear spins, the decoherence is probably dominated by residual impurities and defects.

Free Research Field

応用物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでNV中心は電気を通さない絶縁体ダイヤモンドで主に研究されてきた。今回、リンをドープしたダイヤモンド半導体中のNV中心で、固体系で室温において最長となるコヒーレンス時間を達成した事は、今後の半導体デバイス応用という観点から意義深い。医療分野、化学物質構造解析分野、各種電子デバイス評価センサ分野等への応用が期待されるNV中心において、将来の超高感度量子センサの実現、及び更なる高感度化へ貢献したという観点から、本研究成果の社会的意義は大きいと言える。また磁気ノイズ源となりえるリンをドープしたにも拘わらず、コヒーレンス時間が伸びた点は学術的に重要で、ダイヤモンド高品質化に貢献する結果である。

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Published: 2020-03-30  

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