電子スピンの量子状態変化を検出原理に持つカロリーメータの開発

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03526
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 小野田 忍 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (30414569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蔭浦 泰資 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (20801202) ; 加田 渉 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (60589117) ; 川原田 洋 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90161380)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / NVセンター / カロリーメータ / 超伝導

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンド中のNV（Nitrogen-Vacancy）センターが持つ電子スピンの磁場・温度依存性をX線検出器の一種であるカロリーメータに応用するための研究を進めた。ダイヤモンドは、カロリーメータの設計上に優位な物性が他材料に比べて特異的に優れている。そのため、数Kで動作するカロリーメータが実現可能であると期待している。さらに、硼素添加ダイヤモンドは、その動作温度域が数Kであるため、ダイヤモンド遷移端温度計（TES）として利用できると考えている。本研究では、NVセンターの電子スピンを利用した「電子スピン型カロリーメータ」を目指し、平成30年度に以下の項目を実施した。

(1)本課題目標を達成するためNVセンターを使った温度計測を利用する計画であり、昨年度は電子線照射によるNVセンター形成に取り組んだ。本年度はイオンビームによるNVセンター形成に取り組んだ。NVセンター単体であっても高感度計測が可能であるが、さらに高感度化するために量子もつれ状態を利用することを発案した。これを実現するため、3つのNVエンターが量子もつれ状態となり得る系の作製に成功した。
(2)硼素添加ダイヤモンド結晶成長・加工を進め、スパッタSiO2薄膜を介したネガ型レジスト転写型電子線リソグラフィによる選択的酸素プラズマエッチング・選択的MPCVD成長による微細加工技術を確立し、超電導ダイヤモンド細線を作製することができた。
(3)数Kで測定可能な共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡に対し、購入したPXI-FPGAモジュールを組み込み、高精度計測に不可欠なパルス光検出磁気共鳴システムを構築した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

低温でのパルス光検出磁気共鳴計測システムが出来上がり、検証実験を着実に進められるようになってきた。ダイヤモンドTESの作製に関しても、微細加工技術により当初の計画にあったサイズの超電導素子が開発できつつあり、順調に研究が進んでいると考えている。また、当初予期していなかった研究成果として、双極子双極子相互作用する3つのNVセンターを作製することに成功した。量子もつれ状態を使うことで高感度の温度計測が可能であるかの検証を進める考えである。

Strategy for Future Research Activity

硼素添加ダイヤモンドを用いて作成したダイヤモンドTESの温度依存性を取得し、その性能を評価することを続ける。低温下においてダイヤモンドNVセンターのパルス光検出磁気共鳴測定を実施する。X線もしくはα線をNVセンターにて検出することを試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] メルボルン大学(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: メルボルン大学
• [Journal Article] Nitrogen-Terminated Diamond Surface for Nanoscale NMR by Shallow Nitrogen-Vacancy Centers (2019)
  • Author(s): Kawai Sora、Yamano Hayate、Sonoda Takahiro、Kato Kanami、Buendia Jorge J.、Kageura Taisuke、Fukuda Ryosuke、Okada Takuma、Tanii Takashi、Higuchi Taisei、Haruyama Moriyoshi、Yamada Keisuke、Onoda Shinobu、et al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Pages: 3594～3604
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b11274
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconductivity in nano- and micro-patterned high quality single crystalline boron-doped diamond films (2018)
  • Author(s): Kageura Taisuke、Hideko Masakuni、Tsuyuzaki Ikuto、Amano Shotaro、Morishita Aoi、Yamaguchi Takahide、Takano Yoshihiko、Kawarada Hiroshi
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 90 Pages: 181～187
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.10.013
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Implantation of nitrogen compound ion beam for fabricating coupled triple NV centres (2019)
  • Author(s): S. Onoda, M. Haruyama, T. Higuchi, W. Kada, A. Chiba, Y. Hirano, T. Teraji, R. Igarashi, S. Kawai, H. Kawarada, Y. Ishii, R. Fukuda, T. Tanii, J. Isoya, T. Ohshima, O. Hanaizumi
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2019 SBDD XXIV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] C5N4Hnイオン注入による双極子結合したNVセンターの形成 (2019)
  • Author(s): 春山盛善, 小野田忍, 樋口泰成, 加田渉, 千葉敦也, 平野貴美, 寺地徳之, 五十嵐龍治, 河合空, 川原田洋, 石井邑, 福田諒介, 谷井孝至, 磯谷順一, 大島武, 花泉修
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Fabrication of coupled NV centers by adenine ion beam implantation (2019)
  • Author(s): S. Onoda, M. Haruyama, T. Higuchi, W. Kada, A. Chiba, Y. Hirano, T. Teraji, R. Igarashi, S. Kawai, H. Kawarada, Y. Ishii, R. Fukuda, T. Tanii, J. Isoya, T. Ohshima, O. Hanaizumi
  • Organizer: The 1st International Forum on Quantum Sensing (IFQS2019)
• [Presentation] Diamond Josephson Junctions and SQUID for Superconducting Q-bit (2019)
  • Author(s): T. Kageura, I. Tsuyuzaki, S. Amano, A.Morishita, M. Tachiki, S. Ooi, S. Arisawa, Y. Takano, H. Kawarada
  • Organizer: The 1st International Forum on Quantum Sensing (IFQS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機化合物イオン注入によるNVセンターの多量子ビット形成 (2018)
  • Author(s): 小野田忍, 春山盛善, 樋口泰成, 加田渉, 千葉敦也, 平野貴美, 寺地徳之, 五十嵐龍治, 河合空, 川原田洋, 石井邑, 福田諒介, 谷井孝至, 磯谷順一, 花泉修, 大島武
  • Organizer: 第32回ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] Nanoscale NMR detection using shallow NV center in nitrogen-terminated diamond (2018)
  • Author(s): S. Kawai, T. Sonoda, T. Kageura, H. Kawarada
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLim-3)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconductivity in fine patterned single crystalline boron-doped diamond films (2018)
  • Author(s): T. Kageura, I. Tsuyuzaki, S. Amano, A. Morishita, T. Sasagawa, H. Kawarada
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-3)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconductivity in high quality single crystal boron-doped diamond films with Tc above 10K (2018)
  • Author(s): T. Kageura, I. Tsuyuzaki, T.Yamaguchi, Y. Takano and H.Kawarada
  • Organizer: 29th International Conference on Diamond and Carbon Materials (ICDCM 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconductivity in Thin- and Micro-Structured Boron-Doped Diamond (2018)
  • Author(s): T. Kageura, M. Hideko, I. Tsuyuzaki, Y. Takano, M. Tachiki, S. Ooi and H.Kawarada
  • Organizer: The 12th New Diamond and Nano Carbons Conference (NDNC 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] ダイヤモンド単結晶およびその製造方法 (2018)
  • Inventor(s): 小野田忍、春山盛善、大島武、千葉敦也、平野貴美、五十嵐龍治
  • Industrial Property Rights Holder: 量子科学技術研究開発機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2018-155987