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

以金刚石NV为中心的量子态先进控制的量子传感显微测量研究

• 批准号: 21H04653
• 负责人: 水落 憲和
• 金额: $ 27.12万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04653/
• 关键词: 量子センシング; ダイヤモンド; NV中心; NMR; バイオ計測; NVセンタ; CVDダイヤモンド合成; n型ダイヤモンド

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。

This proposal aims to develop a new type of micro-mirror measurement system. The research on the application and innovation of measurement technology has been carried out. The research implementation plan records the achievements of each research project as follows: A new quantum chemistry method for nuclear magnetic resonance (NMR) analysis was developed in the fourth year of this study. NMR spectra are expected to be developed using quantum imaging techniques such as Qdyne. AC magnetic field measurement by Qdyne method: maximum sensitivity: frequency: tens of kHz In order to maintain high sensitivity, the number of cycles depends on the number of cycles. This technique was used to measure the amplitude of the NMR signal at a low frequency (several Hz) of the water molecule and the lowest amplitude in the world (1.6 Hz). This work is published in Phys. Rev. Appl. and selected by Editors' Suggestion. The development of high-quality materials technology is related to the synthesis of high-quality materials. The n-type CVD synthesis equipment in Beijing is mainly used for synthesis. Optimization of synthesis conditions, such as impurities, trace impurities, and so on, was confirmed by mass spectrometry. Room temperature measurement of T2 in NV center The longest value in the world (T2 = 2.4 ms) at room temperature was reported in the synthesis sample, and it was confirmed that there was a single NV center generated at T2 (2.23 ms). Furthermore, NV axis alignment was confirmed,[111] direction alignment was confirmed, and high quality synthesis was successfully performed.

项目成果

ダイヤモンドNV量子センサ研究の進展

金刚石NV量子传感器研究进展

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryo Izumi;Masato Miyazaki;Yan Jun Li and Yasuhiro Sugawara;水落憲和
• 通讯作者: 水落憲和

Room Temperature Hyperpolarization of Polycrystalline Samples with Optically Polarized Triplet Electrons

具有光学偏振三重态电子的多晶样品的室温超极化

• 发表时间: 2021
• 作者: K. Miyanishi;T. F. Segawa;K. Takeda;I. Ohki;S. Onoda;T. Ohshima;H. Abe;H. Takashima;S. Takeuchi;A. I. Shames;K. Morita;Y. Wang;F. T.-K. So;D. Terada;R. Igarashi;A. Kagawa;M. Kitagawa;N. Mizuochi;M. Shirakawa;M. Negoro
• 通讯作者: M. Negoro

Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by laser cutting and focused ion beam milling

• DOI: 10.1063/5.0072973
• 发表时间: 2021-12
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Yuta Kainuma;Kunitaka Hayashi;C. Tachioka;Mayumi Ito;T. Makino;N. Mizuochi;T. An

Broadband microwave antenna for uniform manipulation of millimeter-scale volumes of diamond quantum sensors

• DOI: 10.1063/5.0128406
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Y. Takemura;K. Hayashi;Y. Yoshii;M. Saito;S. Onoda;H. Abe;T. Ohshima;T. Taniguchi;M. Fujiwara;H. Morishita;I. Ohki;N. Mizuochi

<i>n</i>-type diamond synthesized with <i>tert</i>-butylphosphine for long spin coherence times of perfectly aligned NV centers

用<i>叔丁基膦合成的<i>n</i>型金刚石可实现完美对准的NV中心的长自旋相干时间

• DOI: 10.1063/5.0101215
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Kawase Riku;Kawashima Hiroyuki;Kato Hiromitsu;Tokuda Norio;Yamasaki Satoshi;Ogura Masahiko;Makino Toshiharu;Mizuochi Norikazu
• 通讯作者: Mizuochi Norikazu