Realization of ultraprecise single-ion implantation using laser-cooling for formation of NV-center arrays

利用激光冷却实现超精密单离子注入形成NV中心阵列

基本信息

批准号：
20H00145
负责人：
斎藤勇一
金额：
$ 29.2万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2022年度は、イオントラップでクーロン結晶化させて紐状に並んだ4個のCaイオンをトラップから射出して、MCP粒子検出器により4個のイオンをそれぞれ検出することに成功した。この時のイオンがMCPに到達する時間間隔は70ns程度で、おおむね計算値と一致した。トラップから引き出したイオンを製作した加速レンズで目的の径に集束させるための各種電圧とそれらを印加するタイミングをシミュレーションにより検討し、数nmレベルに集束可能な条件を見出した。また、実証機用のイオントラップの設計・製作を行った。また、実際にイオン注入する場合、Caイオンにより共同冷却されるNイオンは1個から2個程度となるため、イオンを一つ注入するごとにクーロン結晶を再構築する必要があり、それに数分程度の時間を要する。産業利用などの実用化を考慮するとその時間の短縮が課題となる。そこで、複数のNイオンをトラップしてCaで共同冷却することのできる新たなクーロン結晶状態をシミュレーションにより探索した。その結果、中心軸上の13個のNイオンを24個のCaイオンが取り囲むような形状の3D結晶が存在することを突き止めた。さらに、イオントラップ等に印加する電圧を精密に制御することにより、そこからNイオンを一つずつ取り出せる可能性があることを明らかにした。

在2022财年中，使用离子陷阱将排列在弦中的四个CA离子从陷阱中弹出四个离子，并使用MCP粒子检测器检测到四个离子。离子目前到达MCP的时间间隔约为70 ns，这通常与计算值相吻合。通过模拟检查了使用由陷阱制成的加速镜头聚焦到所需直径的各种电压，并发现施加它们的时机允许聚焦到几个NM水平。此外，设计和制造了示范机的离子陷阱。此外，当实际执行离子植入时，大约有一到两个由CA离子冷却的离子，因此有必要使用每次植入离子进行重建库仑晶体，这大约需要几分钟。考虑到工业用途等实际应用，缩短时间是一个挑战。因此，通过模拟搜索了一种可以捕获多个N离子并与CA共冷冷的新的库仑晶体状态。结果，发现存在具有3D晶体，其形状围绕着中央轴上有24个Ca离子。此外，已经揭示了通过精确控制应用于离子陷阱等的电压，可以从电压中逐一提取n离子。