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。

2022年度，我们成功地在离子阱中喷射出库仑结晶后排成一串的四个Ca离子，并用MCP粒子检测器分别检测了这四个离子。此时离子到达MCP的时间间隔约为70 ns，与计算值大致相符。通过模拟，我们研究了各种电压以及施加这些电压的时间，以使用制造的加速器透镜将从陷阱中提取的离子聚焦到所需的直径，并找到了允许离子聚焦到几纳米水平的条件。我们还为演示装置设计并制造了离子阱。另外，实际注入离子时，只有一到两个N离子与Ca离子共同冷却，因此每次注入一个离子都需要重建库仑晶体，并且需要几分钟的时间。考虑到工业用途等实际应用，缩短时间成为一个问题。因此，我们通过模拟来寻找一种新的库仑晶态，可以捕获多个N离子并与Ca共同冷却它们。结果，他们发现了一种3D晶体的存在，其中24个Ca离子在中心轴上围绕着13个N离子。此外，他们还透露，通过精确控制施加到离子陷阱的电压，可以从离子陷阱中一一提取N离子。

项目成果

期刊论文数量（10）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Design of a collimator-less two-stage acceleration lens for a single ion implantation system

单离子注入系统无准直两级加速透镜设计

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
石井　保行 ; 宮脇　信正 ; 鳴海　一雅 ;小野田　忍 ; 齋藤　勇一
通讯作者：
齋藤　勇一

レーザー冷却イオンの超精密注入に関するシミュレーション研究

激光冷却离子超精密注入仿真研究

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
百合　庸介 ; 宮脇　信正 ; 石井　保行 ; 細谷　青児 ; 穂坂　綱一 ; 柏木　啓次 ; 島田　紘行 ; 山縣　諒平 ; 横田　渉 ; 佐藤　隆博 ; 齋藤　勇一 ; 小野田　忍 ; 鳴海　一雅 ; 室尾　健人 ; 伊藤　清一 ; 岡本　宏己
通讯作者：
岡本　宏己

単一イオン注入装置における静電レンズの比較

单离子注入机中静电透镜的比较