ダイヤモンドNV中心の量子状態高度制御による量子センシング顕微鏡計測研究

以金刚石NV为中心的量子态先进控制的量子传感显微测量研究

• 批准号: 21H04653
• 负责人: 水落 憲和
• 金额: $ 27.12万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04653/
• 关键词: 量子センシング; ダイヤモンド; NV中心; NMR; バイオ計測; NVセンタ; CVDダイヤモンド合成; n型ダイヤモンド

本提案ではNV中心を用いた量子センシング顕微鏡計測の開発を行う。更にそれらを用い、革新的バイオ計測技術実現へ研究を展開する。研究実施計画に記載した各研究項目の実績は以下の通りである。令和４年度は、核磁気共鳴（NMR）応用のための新たな量子センシング手法を考案した。NMRへの応用が期待される量子センシング手法として、これまでNMR線幅の先鋭化を実現する量子ヘテロダイン（Qdyne）法が開発され、注目されていた。しかし、Qdyne法での交流磁場計測では、数十kHz程度の周波数で最大感度を有し、周波数が変わると著しく感度が落ちるという欠点があった。令和４年度に我々は、周波数にほぼ依存せず、高感度を維持する新たな量子センシング手法を考案し、実験的に実証した。この手法を用い、水分子の水素を低周波数（数Hz）で計測し、これまでNV量子センサを用いて計測したNMR信号の線幅としては世界最小線幅（1.6 Hz）を実証した。本成果は、Phys. Rev. Appl誌に掲載され、論文は Editors' Suggestion に選ばれた。ダイヤモンド材料技術開発に関しては、高品質ダイヤモンドの合成を行った。リンドープn型ダイヤモンドは京大でのCVD合成装置により合成した。合成条件を最適化することにより、ダイヤモンド中の不純物を、微量のリンが取り込まれつつ、窒素混入を抑制できたことを二次イオン質量分析法等により確認した。室温における単一NV中心のT2は自作共焦点レーザ顕微鏡により、ハーン・エコー法によって測定した。合成した試料において、従来報告されている室温での世界最長値（T2 = 2.4 ms）に匹敵するT2 (2.23 ms)を有する単一NV中心が生成していることを確認した。更に、NV軸の配向性についても、[111]方向への高い配向性を確認し、高品質ダイヤモンド合成に成功した。

在本提案中，我们将使用 NV 中心开发量子传感微观测量。此外，我们将利用它们进行研究，以实现创新的生物测量技术。研究实施计划中列出的各研究项目的结果如下。在 2020 财年，我们为核磁共振 (NMR) 应用设计了一种新的量子传感方法。实现NMR线宽锐化的量子外差（Qdyne）方法已被开发出来，并作为有望应用于NMR的量子传感方法而受到关注。然而，使用Qdyne方法进行交流磁场测量的缺点是，它在几十kHz左右的频率下具有最大灵敏度，并且随着频率的变化，灵敏度显着下降。在 2020 财年，我们设计并实验演示了一种新的量子传感方法，该方法可以在不依赖于频率的情况下保持高灵敏度。使用这种方法，我们以低频（几赫兹）测量了水分子中的氢，并展示了使用 NV 量子传感器测量的世界上最小线宽（1.6 赫兹）的 NMR 信号。该结果发表在 Phys Rev. Appl 上，论文被选为编辑建议。开发金刚石材料技术，合成高品质金刚石。使用京都大学的CVD合成设备合成了磷掺杂的n型金刚石。通过优化合成条件，我们通过二次离子质谱分析证实，我们能够抑制氮污染，同时将微量磷掺入金刚石中。使用自制共焦激光显微镜，通过哈恩回波法测量室温下单个NV中心的T2。在合成样本中，我们确认生成了具有 T2（2.23 ms）的单个 NV 中心，这与之前报道的室温下世界最长值（T2 = 2.4 ms）相当。此外，关于NV轴的取向，我们确认了[111]方向的高取向，并成功合成了高质量的金刚石。

项目成果

ダイヤモンドNV量子センサ研究の進展

金刚石NV量子传感器研究进展

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryo Izumi;Masato Miyazaki;Yan Jun Li and Yasuhiro Sugawara;水落憲和
• 通讯作者: 水落憲和

Room Temperature Hyperpolarization of Polycrystalline Samples with Optically Polarized Triplet Electrons

具有光学偏振三重态电子的多晶样品的室温超极化

• 发表时间: 2021
• 作者: K. Miyanishi;T. F. Segawa;K. Takeda;I. Ohki;S. Onoda;T. Ohshima;H. Abe;H. Takashima;S. Takeuchi;A. I. Shames;K. Morita;Y. Wang;F. T.-K. So;D. Terada;R. Igarashi;A. Kagawa;M. Kitagawa;N. Mizuochi;M. Shirakawa;M. Negoro
• 通讯作者: M. Negoro

Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by laser cutting and focused ion beam milling

• DOI: 10.1063/5.0072973
• 发表时间: 2021-12
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Yuta Kainuma;Kunitaka Hayashi;C. Tachioka;Mayumi Ito;T. Makino;N. Mizuochi;T. An

All-optical nanoscale thermometry based on silicon-vacancy centers in detonation nanodiamonds

• DOI: 10.1016/j.carbon.2022.06.076
• 发表时间: 2022-06
• 期刊: Carbon
• 影响因子: 10.9
• 作者: M. Fujiwara;Gakuto Uchida;I. Ohki;Meilin Liu;Akihiko Tsurui;Taro Yoshikawa;M. Nishikawa;N. Mizuochi

Broadband microwave antenna for uniform manipulation of millimeter-scale volumes of diamond quantum sensors

• DOI: 10.1063/5.0128406
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Y. Takemura;K. Hayashi;Y. Yoshii;M. Saito;S. Onoda;H. Abe;T. Ohshima;T. Taniguchi;M. Fujiwara;H. Morishita;I. Ohki;N. Mizuochi