ダイヤモンド表面にナノ量子センサーを自由に配置・測定する手法の開発

开发一种在金刚石表面自由放置和测量纳米量子传感器的方法

• 批准号: 21K13866
• 负责人: 林 寛
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kanazawa University (2022)Kyoto University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K13866/
• 关键词: ダイヤモンドNV中心; 量子センサー; レーザー加工; 近接場

NVセンターの電子スピンは室温で長いコヒーレンス時間(2 ms以上)を持ち、スピンの初期化、操作、測定が可能である。このような特徴を持つNVセンターを用いてダイヤモンド外部の少数核スピンを対象としたナノスケールNMRの研究が盛んにおこなわれている。このようなセンシング技術開発には、NVセンターの電子スピンと対象の核スピンとの強い相互作用が必要となる。このため、NVセンターの電子スピンと対象核スピンの距離を短くする必要があり、ダイヤ表面にNVセンターを生成することが望まれている。本研究では表面NVセンターを再現性良くナノスケール分解能で作製する手法の確立し、さらに表面NVセンターを配列することを目標としている。この目標達成のため、フェムト秒レーザーによるダイヤモンド加工技術に着目し、研究開発を行った。本年度は、昨年度に開発した加工装置を用いてさらなる極小加工を目指した。具体的にはレーザーエネルギーなどの条件などを精密に制御することにより、最小で幅約60 nm,深さ原子層レベルの加工が達成された。このような加工部への新たなダイヤモンド層の埋め込み成長を行った。その結果、加工穴が綺麗に埋め込まれることで、原子平坦面に戻すことが可能となった。これにより昨年度と比較すると、さらなる微小な加工と、加工部への埋め込み技術を確立したため、埋め込んだNVセンターの評価を行った。しかし埋め込み膜中NVセンターと基板中NVセンターの区別が難しく、埋め込み部NVセンターの評価が困難であった。これらを踏まえて、現在埋め込み部への高濃度NVセンタードープ技術と、原子平坦でなおかつ表面平坦なダイヤモンド試料の作製技術の開発を行い、また、加工技術のさらなる高精度化を検討している。

NV中心的电子自旋在室温下具有很长的连贯性时间（超过2 ms），从而允许自旋初始化，操纵和测量。使用具有这些特征的NV中心，纳米级NMR研究正在积极针对钻石以外的少数核自旋进行。这种传感技术开发需要NV中心的电子自旋与感兴趣的核自旋之间的强烈相互作用。因此，有必要缩短电子自旋与NV中心的目标核自旋之间的距离，并且希望在钻石表面产生NV中心。这项研究旨在建立一种以可重复性和纳米级分辨率制造表面NV中心的方法，并进一步对齐表面NV中心。为了实现这一目标，我们使用飞秒激光器专注于钻石加工技术，并进行了研发。今年，我们旨在使用去年开发的处理设备进一步最大程度地减少处理。具体而言，通过精确控制激光能量等条件，达到了约60 nm的最小宽度和原子层水平深度的处理。新的钻石层嵌入并在加工部分中生长。结果，处理孔被整齐地嵌入，使它们可以将其归还到原子平坦表面。与去年相比，这导致了进一步的微加工和技术，以嵌入加工部分，因此，评估了嵌入式NV中心。但是，很难区分嵌入式膜中的NV中心和基板的NV中心，并且很难评估嵌入式膜中的NV中心。考虑到这些考虑，我们目前正在开发一项针对嵌入式区域的高浓度NV中心掺杂技术的技术，以及一项用于准备平坦原子和平坦表面的钻石样品的技术，并正在考虑进一步提高加工技术的准确性。

项目成果

加工装置、加工方法

加工设备、加工方法

• 发表时间: 2021