集団的神経細胞ダイナミクスを可視化するダイヤモンドナノレーザの開発

开发金刚石纳米激光器以可视化集体神经元动力学

• 批准号: 22H01525
• 负责人: 八井 崇
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 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-22H01525/
• 关键词: ダイヤモンドNVセンタ; ナノレーザ; ダイヤモンドNV

ダイヤモンド窒素‐空孔(NV)センタはスピン状態が環境によって大きく変化するため、その変化を検出することで、超高感度量子センサとしての利用が期待されている。提案者らはこのダイヤモンドNVセンタの特長を活かして転移癌診断用の高感度・非侵襲磁気センサの開発を行ってきた。本課題では、近接場光の局在性を利用して、究極の磁気感度を達成可能とするダイヤモンドナノレーザを世界に先駆けて実現することを目的とする。本目的実証のため、本年度は、プラズモニック共振器を用いたNV中心のナノレーザーを検討した。一方、同構造の実現には高密度にNV中心の形成された単結晶ダイヤモンドに対する微細加工技術の確立が必要である。今回、レーザー発振に向けたプラズモニック構造の設計と、同構造の作製に向けたダイヤモンドナノ構造加工の可能性を見出すことに成功した。ナノレーザーの構造として、金/ダイヤモンドを用いたプラズモニック共振器の構造最適化を行った。シミュレーションにより、導波路中のパーセル係数を求めたところ、レーザー発振が観測された他材質のプラズモニック共振器と同等のパーセル係数が得られることを計算により確認した。続いてプラズモニック共振器の作製に向けたダイヤモンドナノ構造加工を行った。転写プリント法によりマスクをダイヤモンド基板上に集積した後、酸素プラズマによるエッチングを行った。本手法により、集積したマスクを残したままダイヤモンドが垂直にエッチングすることに成功し、設計した構造に必要となる導波路構造の作製に成功した。

由于钻石氮效率（NV）中心的自旋状态会大大变化，因此预计将通过检测变化来用作超敏感的量子传感器。支持者使用该钻石NV中心的特征来开发高度敏感的非侵入性磁传感器来诊断转移性癌症。该目标是首先实现可以通过利用近场光的定位来实现最终磁敏感性的钻石纳米剂。为了证明这一目的，我们使用等离子体谐振器今年检查了以NV为中心的纳米剂。另一方面，意识到相同的结构需要为具有高密度NV中心的单晶钻石建立精细的加工技术。这次，我们成功地设计了一种用于激光振荡的等离子体结构，并找到了钻石纳米结构处理以制造相同结构的可能性。作为纳米剂的结构，使用金/钻石对等离子谐振器进行优化。通过仿真，计算了波导中的包裹系数，并通过计算证实了包裹系数等于与观察到激光振荡的其他材料等离子的谐振器，可以获得可以获得激光振荡的。接下来，进行钻石纳米结构处理以制备等离子谐振器。通过转移打印方法在钻石底物上积累了面具，然后使用氧血浆蚀刻。该技术在保留集成面罩的同时成功地蚀刻了钻石，并成功地制造了设计结构所需的波导结构。

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

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

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

Yatsui Research Group

八井研究组