ダイヤモンドNV中心を用いた“スピン蓄積の観測”

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室温で動作する“単一スピン検出器”としての性能を有するダイヤモンド中の窒素―空孔複合体（NV）中心を用いた、スピン流の新規検出方法の確立を目指し研究を遂行した。NV中心のスピン状態はアップとダウンスピンの2準位を取り、外部からマイクロ波を印加することに依ってスピン量子状態を操作することができる。このスピン状態は緑色レーザーの照射によって生じる蛍光を測定することで光学的に検出可能である。本研究ではこれら特性を利用し、NV中心を含有するダイヤモンドを磁性絶縁体（イットリウム鉄ガーネット）に隣接させ、YIG中を長距離伝搬する表面スピン波によりダイヤモンド中のNV中心のスピン状態を制御し、光学的に検出することを試みた。結果、マイクロ波によってYIG中に励起した表面スピン波がミリメートル以上伝搬し、この表面スピン波の周波数がNV中心の磁気共鳴の周波数と一致する時に、NV中心の磁気共鳴が励起されることを光学的に観測した。これはNV中心が保有する量子状態（ミリ秒以上保持できる）に表面スピン波からアクセス可能であることを示している。また、照射する緑色レーザーと表面スピン波を励起するマイクロ波をパルス化することによって、NV中心のラビ振動が励起できることを見出した。本結果よりNV中心は表面スピン波の検出素子として有用であり、同時に表面スピン波はNV中心への情報の書込みをミリメーター以上離れた遠方より操作可能であることが示された。