量子センサによるスピンダイナミクスの可視化手法の開発

本研究の目的は、磁性体の局所的なダイナミクスを可視化するため、ダイヤモンド中の色中心を量子センサとして利用する磁場・温度のイメージング装置を開発することである。今年度は、(1)磁性体のイメージングに注力した。さらに計測精度を高めるために、(2)センサの励起光強度依存性、(3)温度測定における機械学習の利用、(4)光学収差の影響、(5)発展的な量子操作、(6)新規量子センサの利用などの検証を行った。現在、(1,2,4,5,6)の内容に関して学術論文を執筆しており、その一部の内容は投稿中である。これらの技術は、量子センサの磁場感度や空間分解能を更に高めるものであり、局所的なスピンダイナミクスの可視化に有用である。(1)では、垂直磁化膜の磁区を磁気光学カー効果と量子センサで同時にイメージングする技術を開発し、クリープ運動を動画として取得した。低温装置と組み合わせることで、超伝導量子渦の定量的な磁気イメージングに成功した。また、マイクロ波やスピン波の検出精度を高め、そのイメージングに成功した。(2)では、センサの共鳴周波数が励起光強度に対して指数関数的に変化する現象を発見した。(3)では、温度測定において機械学習を適用し、従来法と同程度の精度が得られることを明らかにした。(4)では、蛍光顕微測定の光学収差で感度や分解能が低下する影響を調査し、性能劣化が十分に少ないダイヤモンド基板の薄さを決定した。(5)では、ランダウツェナーモデルに幾何学的な効果を取り入れたモデルを利用し、トンネル遷移確率が100%になる幾何学的非断熱な量子操作を実証した。(6)では、六方晶窒化ホウ素(hBN)中のホウ素空孔欠陥をセンサとして利用するアイディアを検証した。ヘリウムイオン顕微鏡の集束イオンを用いたセンサのナノアレイの作製や、広帯域マイクロ波パルスによる磁場感度の向上に成功した。

本研究の目的は、磁性体の局所的なダイナミクスを可視化するため、ダイヤモンド中の色中心を量子センサとして利用する磁場・温度のイメージング装置を開発することである。今年度は、(1)磁性体のイメージングに注力した。さらに計測精度を高めるために、(2)センサの励起光強度依存性、(3)温度測定における機械学習の利用、(4)光学収差の影響、(5)発展的な量子操作、(6)新規量子センサの利用などの検証を行った。現在、(1,2,4,5,6)の内容に関して学術論文を執筆しており、その一部の内容は投稿中である。これらの技術は、量子センサの磁場感度や空間分解能を更に高めるものであり、局所的なスピンダイナミクスの可視化に有用である。(1)では、垂直磁化膜の磁区を磁気光学カー効果と量子センサで同時にイメージングする技術を開発し、クリープ運動を動画として取得した。低温装置と組み合わせることで、超伝導量子渦の定量的な磁気イメージングに成功した。また、マイクロ波やスピン波の検出精度を高め、そのイメージングに成功した。(2)では、センサの共鳴周波数が励起光強度に対して指数関数的に変化する現象を発見した。(3)では、温度測定において機械学習を適用し、従来法と同程度の精度が得られることを明らかにした。(4)では、蛍光顕微測定の光学収差で感度や分解能が低下する影響を調査し、性能劣化が十分に少ないダイヤモンド基板の薄さを決定した。(5)では、ランダウツェナーモデルに幾何学的な効果を取り入れたモデルを利用し、トンネル遷移確率が100%になる幾何学的非断熱な量子操作を実証した。(6)では、六方晶窒化ホウ素(hBN)中のホウ素空孔欠陥をセンサとして利用するアイディアを検証した。ヘリウムイオン顕微鏡の集束イオンを用いたセンサのナノアレイの作製や、広帯域マイクロ波パルスによる磁場感度の向上に成功した。