Room temperature quantum simulator of diamond surface nuclear lattice

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03870
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 山崎 聡 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 特任教授 (80358241)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水落 憲和 京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311) ; 波多野 睦子 東京工業大学, 工学院, 教授 (00417007) ; 徳田 規夫 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (80462860) ; 牧野 俊晴 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20360258)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 量子 / ダイヤモンド

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドの点欠陥の一つである負の電荷をもつ窒素空孔ペアー（NV-）は、量子スピン１の三準位状態を持ち、炭素原子であることなどが理由で、スピン緩和時間が室温でも長く、光による初期化が可能など、特徴ある光学・スピン状態を有している。このNV-の光検出磁気共鳴を用いることにより、NV-と周囲の核スピンとの間の磁気的相互作用を検出することができる。一方、ダイヤモンド表面を完全平坦面であるように作製する技術を、我々のグループでは有しており、表面終端原子の制御することができる。
本課題は、ダイヤモンド表面付近（数nmから数10nm程度）にNVセンタを作成し、その電子スピン共鳴信号に重なる表面修飾された原子核スピンによる磁気的相互作用を検出する。表面原子核をキュービットとし、その信号をNV-を通して検出する量子シミュレータを構築することを目的としている。
初年度は上記構造を作成するための、量子シミュレータ構造作製プロセスを構築するとともに、信号の検出を行った。2年度は、構造作製に関して、NV中心の深さ分布を構造から確認することができるよう、N原子を含まない高品質IIaダイヤモンドを基板として出発するという、新しい作成方法を開発し、実証し、その表面から浅い位置に存在するNV中心を共焦点顕微鏡により観察した。その結果、単一のNV中心の存在を確認することができた。
最終年度である本年度は、電荷安定性のためにリンドープ膜におけるNVセンタ作成を行い。電荷の安定を確保することに成功した。また、プラズマによる平坦面の穴あけに変わる新しい空間的2次元制御された位置における穴あけプロセスの可能性の概念設計を行うことに成功した。
本プロセスは世界的に新しいものであり、成果の発信の準備を行うとともに、新しい量子シミュレータ、量子コンピュータプラットフォームとしての特許を取得することを進めている。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。