Realization of ultraprecise single-ion implantation using laser-cooling for formation of NV-center arrays

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2022年度は、イオントラップでクーロン結晶化させて紐状に並んだ4個のCaイオンをトラップから射出して、MCP粒子検出器により4個のイオンをそれぞれ検出することに成功した。この時のイオンがMCPに到達する時間間隔は70ns程度で、おおむね計算値と一致した。トラップから引き出したイオンを製作した加速レンズで目的の径に集束させるための各種電圧とそれらを印加するタイミングをシミュレーションにより検討し、数nmレベルに集束可能な条件を見出した。また、実証機用のイオントラップの設計・製作を行った。また、実際にイオン注入する場合、Caイオンにより共同冷却されるNイオンは1個から2個程度となるため、イオンを一つ注入するごとにクーロン結晶を再構築する必要があり、それに数分程度の時間を要する。産業利用などの実用化を考慮するとその時間の短縮が課題となる。そこで、複数のNイオンをトラップしてCaで共同冷却することのできる新たなクーロン結晶状態をシミュレーションにより探索した。その結果、中心軸上の13個のNイオンを24個のCaイオンが取り囲むような形状の3D結晶が存在することを突き止めた。さらに、イオントラップ等に印加する電圧を精密に制御することにより、そこからNイオンを一つずつ取り出せる可能性があることを明らかにした。