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。

该建议将使用NV中心进行量子传感显微镜测量。此外，他们将利用这些研究来开发创新生物衡量技术实现的研究。研究实施计划中列出的每个研究项目的结果如下。在2022年，我们设计了一种用于核磁共振（NMR）应用的新量子传感方法。作为一种预计将应用于NMR的量子传感方法，已经开发并引起了人们的注意。但是，使用QDYNE方法的AC磁场测量值是缺点，即它在数十kHz左右的频率下具有最大灵敏度，并且当频率变化时，灵敏度显着降低。在2022年，我们设计了一种新的量子传感方法，该方法保持高灵敏度，几乎与频率无关，并在实验上证明了这一点。使用该技术，以低频（几个Hz）测量了水分子中的氢，并且证明了世界上最小的线宽度（1.6 Hz）是使用NV量子传感器测量的世界最小的线宽度（1.6 Hz）NMR信号。这项工作发表在Phys。 Appl Rev. Appl，将论文选为编辑的建议。关于钻石材料技术的发展，我们已经合成了高质量的钻石。使用京都大学的CVD合成器合成磷掺杂的N型钻石。通过优化合成条件，通过二级离子质谱法证实，可以抑制氮污染，同时在钻石中服用痕量的磷。通过自制共聚焦激光显微镜和Hearn Echo方法测量室温下单个NV中心的T2。已经证实，单个NV中心是用T2（2.23 ms）生成的，与先前报道的室温下最长值（T2 = 2.4 ms）相当。此外，确认NV轴的方向在[111]方向上具有很高的方向，并且高质量的钻石合成成功。

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

<i>n</i>-type diamond synthesized with <i>tert</i>-butylphosphine for long spin coherence times of perfectly aligned NV centers

用<i>叔丁基膦合成的<i>n</i>型金刚石可实现完美对准的NV中心的长自旋相干时间

• DOI: 10.1063/5.0101215
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Kawase Riku;Kawashima Hiroyuki;Kato Hiromitsu;Tokuda Norio;Yamasaki Satoshi;Ogura Masahiko;Makino Toshiharu;Mizuochi Norikazu
• 通讯作者: Mizuochi Norikazu

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