ナノダイヤモンドを用いた超高感度超高圧高周波数電子スピン共鳴測定法の開発

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申請者らは，これまで試料空間が相対的に大きい(内径5mm)ピストンシリンダー型圧力セルのピストン部分をジルコニアに置き換え，テラヘルツ波の透過を可能にして，ミクロスコピックな情報が得られる高圧高周波数電子スピン共鳴(ESR)測定法を行い，多様な量子スピン系の圧力効果を明らかにしてきた。ピストンシリンダー型は，試料が多く(スピン数が多い），高周波数ESRの従来型半導体検出器の感度で測定可能であるので用いてきたが，発生圧力は3GPa弱に止まっていた。そこで，100GPaレベルの超高圧を目指すには，ダイヤモンドアンビル圧力セルを用いる必要がある。しかし，ダイヤモンドアンビル圧力セルの内径は0.5mm以下と極端に小さな試料空間であるため，従来型半導体検出器の感度では，全くESR測定は不可能である。そこで，従来ESR手法に比べ，超高感度なダイヤモンド窒素-空孔中心(NV-センター)を用いた光検出磁気共鳴(ODMR)によって，ダイヤモンドアンビル圧力セルを用いた超高感度超高圧高周波数ESR測定を実現することが本研究の目的である。特に，本研究ではNV-センターを持つナノダイヤモンドを圧力媒体に溶かして，そのNV-センターを介して磁性体試料の磁気モーメントのESRを検出することを目指す。つまり，微小試料の外部磁場下テラヘルツESRによるスピン状態変化を，近傍のNV-センターが有効磁場変化としてNV-センターのms=±1状態のゼーマン分裂変化として受け取り，ODMRの蛍光強度変化として高感度テラヘルツESRとして観測されるという原理である。ODMRを用いたESR観測は，従来のESR観測に比べ10桁高い感度を持つので，単一NV-センターの観測が可能となる。