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2022 Fiscal Year Annual Research Report

ダイヤモンドNV中心の量子状態高度制御による量子センシング顕微鏡計測研究

Research Project

Project/Area Number 21H04653
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

水落 憲和  京都大学, 化学研究所, 教授 (00323311)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 白川 昌宏  京都大学, 工学研究科, 教授 (00202119)
大木 出  京都大学, 工学研究科, 特定研究員 (80418574)
徳田 規夫  金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (80462860)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Keywords量子センシング / ダイヤモンド / NV中心 / NVセンタ / NMR / CVDダイヤモンド合成 / n型ダイヤモンド / バイオ計測
Outline of Annual Research Achievements

本提案ではNV中心を用いた量子センシング顕微鏡計測の開発を行う。更にそれらを用い、革新的バイオ計測技術実現へ研究を展開する。研究実施計画に記載した各研究項目の実績は以下の通りである。
令和4年度は、核磁気共鳴(NMR)応用のための新たな量子センシング手法を考案した。NMRへの応用が期待される量子センシング手法として、これまでNMR線幅の先鋭化を実現する量子ヘテロダイン(Qdyne)法が開発され、注目されていた。しかし、Qdyne法での交流磁場計測では、数十kHz程度の周波数で最大感度を有し、周波数が変わると著しく感度が落ちるという欠点があった。令和4年度に我々は、周波数にほぼ依存せず、高感度を維持する新たな量子センシング手法を考案し、実験的に実証した。この手法を用い、水分子の水素を低周波数(数Hz)で計測し、これまでNV量子センサを用いて計測したNMR信号の線幅としては世界最小線幅(1.6 Hz)を実証した。本成果は、Phys. Rev. Appl誌に掲載され、論文は Editors' Suggestion に選ばれた。
ダイヤモンド材料技術開発に関しては、高品質ダイヤモンドの合成を行った。リンドープn型ダイヤモンドは京大でのCVD合成装置により合成した。合成条件を最適化することにより、ダイヤモンド中の不純物を、微量のリンが取り込まれつつ、窒素混入を抑制できたことを二次イオン質量分析法等により確認した。室温における単一NV中心のT2は自作共焦点レーザ顕微鏡により、ハーン・エコー法によって測定した。合成した試料において、従来報告されている室温での世界最長値(T2 = 2.4 ms)に匹敵するT2 (2.23 ms)を有する単一NV中心が生成していることを確認した。更に、NV軸の配向性についても、[111]方向への高い配向性を確認し、高品質ダイヤモンド合成に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予期していなかったような重大な事案はなく、おおむね順調に進んでいると考えている。研究実施計画に記載した各研究項目の現在までの進捗状況は以下のとおりである。
NV中心を用いた高感度量子センシング顕微鏡装置については、高感度量子センシング顕微鏡装置の開発研究を行った。磁場に加え、温度計測や核磁気共鳴(NMR)計測を行える装置開発、及びイメージング測定装置の立ち上げを行った。細胞内観測への展開については、立ち上げた装置を用い、板状ダイヤモンドを用い、対象試料について、板状ダイヤ内のNV中心により計測を行い、測定条件探索等を行った。
量子状態の高度制御については、ドレスト状態を用いた感度向上実証の目的に関し、温度センサの高感度化の目的に関し、近年取り組んでいたドレスト状態を用いたT2長時間化技術などをもとに温度感度高感度化を行った。光検出磁気共鳴信号のコントラストがこれまで低くなってしまっていた課題を克服し、信号強度の増強を実証し、また温度変化による信号共鳴周波数のシフトを確認した。
ダイヤモンド材料技術開発に関しては、気相圧力などの合成条件を最適化し、リンや窒素の不純物の取り込み制御を行った。微量のリンが取り込まれつつ、窒素混入を抑制できたことを二次イオン質量分析法、電子スピン共鳴装置、自作共焦点レーザ顕微鏡システムや、分光器を用いて確認した。また、ホール測定による電気伝導度の評価より、n型ダイヤモンドの電気的特性評価を行った。既報のn型ダイヤモンドの最高移動度値に近づく高い移動度が得られ、合成したn型ダイヤモンドが、高品質であることを確認した。
以上のように、研究実施計画に記載した通り、研究はおおむね順調に進んでいると考えている。

Strategy for Future Research Activity

当初予期していなかったような重大な事案はなく、おおむね順調に進んでおり、研究計画の変更あるいは研究を遂行する上での問題点は特にない。
今後も研究計画に記載した各研究項目について、研究を進めていく。

  • Research Products

    (18 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 7 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Creation of NV centers over a millimeter-sized region by intense single-shot ultrashort laser irradiation2023

    • Author(s)
      Fujiwara Masanori、Inoue Shunsuke、Masuno Shin-ichiro、Fu Haining、Tokita Shigeki、Hashida Masaki、Mizuochi Norikazu
    • Journal Title

      APL Photonics

      Volume: 8 Pages: 036108~036108

    • DOI

      10.1063/5.0137093

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Temperature sensing with RF-dressed states of nitrogen-vacancy centers in diamond2023

    • Author(s)
      Tabuchi Hibiki、Matsuzaki Yuichiro、Furuya Noboru、Nakano Yuta、Watanabe Hideyuki、Tokuda Norio、Mizuochi Norikazu、Ishi-Hayase Junko
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 133 Pages: 024401~024401

    • DOI

      10.1063/5.0129706

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] All-optical nanoscale thermometry based on silicon-vacancy centers in detonation nanodiamonds2022

    • Author(s)
      Fujiwara Masanori、Uchida Gaku、Ohki Izuru、Liu Ming、Tsurui Akihiko、Yoshikawa Taro、Nishikawa Masahiro、Mizuochi Norikazu
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 198 Pages: 57~62

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2022.06.076

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-Frequency Quantum Sensing2022

    • Author(s)
      Herbschleb E.D.、Ohki I.、Morita K.、Yoshii Y.、Kato H.、Makino T.、Yamasaki S.、Mizuochi N.
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 18 Pages: 034058-1~11

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.18.034058

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Electrical detection of nuclear spins via silicon vacancies in silicon carbide at room temperature2022

    • Author(s)
      Nishikawa Tetsuri、Morioka Naoya、Abe Hiroshi、Morishita Hiroki、Ohshima Takeshi、Mizuochi Norikazu
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 121 Pages: 184005~184005

    • DOI

      10.1063/5.0115928

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] <i>n</i>-type diamond synthesized with <i>tert</i>-butylphosphine for long spin coherence times of perfectly aligned NV centers2022

    • Author(s)
      Kawase Riku、Kawashima Hiroyuki、Kato Hiromitsu、Tokuda Norio、Yamasaki Satoshi、Ogura Masahiko、Makino Toshiharu、Mizuochi Norikazu
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 132 Pages: 174504~174504

    • DOI

      10.1063/5.0101215

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Broadband microwave antenna for uniform manipulation of millimeter-scale volumes of diamond quantum sensors2022

    • Author(s)
      Takemura Y.、Hayashi K.、Yoshii Y.、Saito M.、Onoda S.、Abe H.、Ohshima T.、Taniguchi T.、Fujiwara M.、Morishita H.、Ohki I.、Mizuochi N.
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 132 Pages: 224501~224501

    • DOI

      10.1063/5.0128406

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetometry goes nuclear2022

    • Author(s)
      Mizuochi Norikazu
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: 18 Pages: 1280~1281

    • DOI

      10.1038/s41567-022-01798-3

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Quantum sensing with diamond spintronics2023

    • Author(s)
      N. Mizuochi
    • Organizer
      International Workshop of Spin/Quantum Materials and Devices (IWSQMD)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超短パルスレーザー単一ショットによるダイヤモンド NV中心の広域形成2023

    • Author(s)
      藤原 正規, 井上 峻介, 升野 振一郎, 付 海寧, 時田 茂樹, 橋田 昌樹, 水落 憲和
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Quantum sensing by NV centers in diamond semiconductor2022

    • Author(s)
      N. Mizuochi
    • Organizer
      The International Symposium on Quantum Science, Technology and Innovation (Quantum Innovation 2022)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High sensitive quantum sensing of NV centers in diamond semiconductor2022

    • Author(s)
      N. Mizuochi
    • Organizer
      14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum Sensing and Ultra-long Spin Coherence of NV Centers in Diamond Semiconductor2022

    • Author(s)
      N. Mizuochi
    • Organizer
      The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2020)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ダイヤモンドを用いた量子センシング研究2022

    • Author(s)
      水落憲和
    • Organizer
      量子科学技術研究開発機構(QST)量子機能創製拠点シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] ダイヤモンドNV中心の基礎と応用2022

    • Author(s)
      水落憲和
    • Organizer
      ワイドギャップ半導体学会、第7回研究会
    • Invited
  • [Presentation] ダイヤモンド中のNV中心の特徴と応用研究2022

    • Author(s)
      水落憲和
    • Organizer
      日本学術振興会、アモルファス・ナノ材料と応用第 147 委員会、第 150 回研究会
    • Invited
  • [Book] 光と物質の量子相互作用ハンドブック2023

    • Author(s)
      荒川 泰彦、島野 亮、金光 義彦、岩本 敏、髙原 淳一、立間 徹
    • Total Pages
      992
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-826-5
  • [Remarks] 京都大学化学研究所無機フォトニクス材料研究領域HP

    • URL

      http://mizuochilab.kuicr.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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