新奇光共振器構造による高感度ダイヤモンド量子磁気センサーの開発

使用新型光学谐振器结构开发高灵敏度金刚石量子磁传感器

• 批准号: 22K14289
• 负责人: 勝見 亮太
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14289/
• 关键词: ダイヤモンド; フォトニック結晶; 量子光学; NVセンター; ナノ構造; 量子センシング; 量子センサー

量子的な性質の活用により、高感度なセンシングを可能にする量子センシングをはじめ、豊かな社会システムが実装できる期待されている。とりわけダイヤモンド中に形成される点欠陥である窒素―空孔(NV)センターは、優れた光学／スピン特性を有するため、磁場や電場、温度などを高感度にセンシングする次世代の量子センサとして注目されています。特にダイヤモンド中のNVセンターからの発光を利用する量子センサーは、室温下で高感度な磁気検出の可能性があり非常に注目されている。しかし、これまでに報告されたダイヤモンド量子センサーは既存のセンサーに比べて数桁も検出感度が劣っている。ダイヤモンド量子センサーの磁気検出感度を律速する大きな要因として、集団NV中心の発光利用効率の低さが挙げられる。これはダイヤモンドの高い屈折率によってNV中心の発光が基板中に閉じ込められてしまうためであり、NV中心からの発光を効率よく取り出すためには、ダイヤモンド基板に対する光ナノ構造の導入が必要不可欠である。ところが量子センサーの分野においては、発光を高効率(>90%)に取り出すためのデバイスの設計さえほとんど行われていない。またダイヤモンド基板の直接加工は技術的に難しく、集団のNV中心を対象とする分野では発光制御や光取り出しに重要な光ナノ構造の導入もほとんど進められていない。そこで、ダイヤモンド集団NV中心の発光を増強し高効率に取り出す光ナノ構造をどのように実現するか、が重要である。そこで本研究では、高感度な磁気検出が可能なダイヤモンド量子センサーの実現に向けて、集団NVセンターの発光強度増強と高効率光取り出しを可能にする新奇ナノ光共振器構造を独自に設計・作製することを目指す。本研究はダイヤモンド量子センサーの分野において光ナノ構造と新規作製技術を初めて取り込むものであり、前例のない高い独自性と創造性を有する。

There is a great expectation that quantum systems will be implemented with the flexible use of quantum properties, the possibility of high-sensitivity quantum systems, and the implementation of rich social systems. In addition, the optical and optical properties of the second generation of quantum devices are enhanced by the magnetic field, electric field and temperature. In particular, the possibility of high sensitivity magnetic detection at room temperature is of great concern. This report shows that the sensitivity of the sensor is lower than that of the existing sensor. The main reason for the high sensitivity of the magnetic field of the quantum device is the low light utilization rate of the cluster NV center. The light emitting structure of the NV center is necessary for the high refractive index of the NV center. For example, if you want to use a computer, you can use a computer. The direct processing of the substrate is difficult for the technology, and the center of the group is divided into two parts: light control and light extraction. The introduction of light structure is important. The light emission of the Group NV Center is enhanced and the light emission structure is realized. In this study, we propose a novel optical resonator structure that can be designed and manufactured independently for the purpose of increasing the intensity of light emission and extracting light with high efficiency. This study is aimed at exploring new technologies for quantum technology, optical structure and new manufacturing methods.

项目成果

Efficient photon extraction of NV centers in diamond by integrating Si3N4 grating structure on diamond

通过在金刚石上集成 Si3N4 光栅结构，有效提取金刚石中的 NV 中心的光子

• 发表时间: 2022
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇;河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇;髙田 晃佑,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,河合 健太,佐藤大地,八井 崇;Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Shun Naruse,Yuji Hatano,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Shinobu Onoda,Takeshi Ohshima,Masaki Sekino,Takashi Yatsui;鳴瀬 駿,勝見亮太,飛沢健,八井崇;Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Masaki Sekino,Takashi Yatsui
• 通讯作者: Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Masaki Sekino,Takashi Yatsui

Transfer-printing-based integration of silicon nitride grating structure on single-crystal diamond toward sensitive magnetometers

基于转移印刷的单晶金刚石氮化硅光栅结构集成到灵敏磁力计

• DOI: 10.1063/5.0107854
• 发表时间: 2022
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi
• 通讯作者: Yatsui Takashi

Design of an ultra-sensitive and miniaturized diamond NV magnetometer based on a nanocavity structure

基于纳米腔结构的超灵敏微型金刚石NV磁力计设计

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac7e10
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Katsumi Ryota;Sekino Masaki;Yatsui Takashi
• 通讯作者: Yatsui Takashi

単結晶ダイヤモンドにおける中空リング構造の作製

单晶金刚石空心环结构的制备

• 发表时间: 2023
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇;河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇
• 通讯作者: 河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇

プラズモニック共振器を用いたダイヤモンドNVナノレーザーの検討

利用等离子体谐振腔研究金刚石NV纳米激光器

• 发表时间: 2023
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇
• 通讯作者: 佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇