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较长的相干时间（>2毫秒），允许自旋初始化、操纵和测量。利用具有这些特征的 NV 中心，正在积极开展针对金刚石外部少数核自旋的纳米级 NMR 研究。这种传感技术的发展需要NV中心的电子自旋与目标的核自旋之间的强相互作用。为此，需要缩短NV中心的电子自旋与目标核自旋之间的距离，并且期望在金刚石表面上生成NV中心。本研究的目标是建立一种具有良好再现性和纳米级分辨率的表面NV中心的制造方法，并进一步对准表面NV中心。为了实现这一目标，我们将研发重点放在使用飞秒激光器的金刚石加工技术上。今年，我们的目标是使用去年开发的加工设备进一步小型化。具体来说，通过精确控制激光能量等条件，实现了最小宽度约60 nm、深度为原子层水平的加工。在这样的加工区域中埋藏并生长了新的金刚石层。结果，加工的孔被整齐地填充，使得原子平面恢复到平坦的表面成为可能。结果，与去年相比，我们能够在加工区域建立更小的加工和嵌入技术，因此我们对嵌入NV中心进行了评估。然而，很难区分埋入膜中的NV中心和基板中的NV中心，从而难以评估埋入部分中的NV中心。基于这些发现，我们目前正在开发一种用高浓度NV中心掺杂埋入部分的技术和一种生产具有原子级平坦表面和平坦表面的金刚石样品的技术，并且还在考虑进一步改进的方法加工技术的精度。

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