新奇光共振器構造による高感度ダイヤモンド量子磁気センサーの開発

使用新型光学谐振器结构开发高灵敏度金刚石量子磁传感器

• 批准号: 22K14289
• 负责人: 勝見 亮太
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14289/
• 关键词: ダイヤモンド; フォトニック結晶; 量子光学; NVセンター; ナノ構造; 量子センシング; 量子センサー

量子的な性質の活用により、高感度なセンシングを可能にする量子センシングをはじめ、豊かな社会システムが実装できる期待されている。とりわけダイヤモンド中に形成される点欠陥である窒素―空孔(NV)センターは、優れた光学／スピン特性を有するため、磁場や電場、温度などを高感度にセンシングする次世代の量子センサとして注目されています。特にダイヤモンド中のNVセンターからの発光を利用する量子センサーは、室温下で高感度な磁気検出の可能性があり非常に注目されている。しかし、これまでに報告されたダイヤモンド量子センサーは既存のセンサーに比べて数桁も検出感度が劣っている。ダイヤモンド量子センサーの磁気検出感度を律速する大きな要因として、集団NV中心の発光利用効率の低さが挙げられる。これはダイヤモンドの高い屈折率によってNV中心の発光が基板中に閉じ込められてしまうためであり、NV中心からの発光を効率よく取り出すためには、ダイヤモンド基板に対する光ナノ構造の導入が必要不可欠である。ところが量子センサーの分野においては、発光を高効率(>90%)に取り出すためのデバイスの設計さえほとんど行われていない。またダイヤモンド基板の直接加工は技術的に難しく、集団のNV中心を対象とする分野では発光制御や光取り出しに重要な光ナノ構造の導入もほとんど進められていない。そこで、ダイヤモンド集団NV中心の発光を増強し高効率に取り出す光ナノ構造をどのように実現するか、が重要である。そこで本研究では、高感度な磁気検出が可能なダイヤモンド量子センサーの実現に向けて、集団NVセンターの発光強度増強と高効率光取り出しを可能にする新奇ナノ光共振器構造を独自に設計・作製することを目指す。本研究はダイヤモンド量子センサーの分野において光ナノ構造と新規作製技術を初めて取り込むものであり、前例のない高い独自性と創造性を有する。

通过利用量子特性，预计可以实现丰富的社会系统，包括实现高灵敏度传感的量子传感。特别是，氮空位（NV）中心是金刚石中形成的点缺陷，具有优异的光学/自旋特性，作为下一代量子传感器而受到关注，该传感器可以以高灵敏度感应磁场、电场、温度等。曾经是。特别是，利用钻石 NV 中心光发射的量子传感器因其在室温下进行高灵敏度磁检测的潜力而引起了广泛关注。然而，迄今为止报道的金刚石量子传感器的检测灵敏度比现有传感器低几个数量级。限制金刚石量子传感器磁检测灵敏度的一个主要因素是利用集体NV中心发出的光的效率低。这是因为由于金刚石的高折射率，从NV中心发射的光被限制在基底内，并且为了有效地提取从NV中心发射的光，必须在金刚石基底中引入光学纳米结构.然而，在量子传感器领域，很少有设备被设计成高效率（>90%）提取光。此外，直接加工金刚石基底在技术上很困难，并且在成组靶向NV中心领域，在引入对于控制光发射和提取光很重要的光学纳米结构方面进展甚微。因此，找出如何创建光学纳米结构来增强并有效提取从金刚石群的 NV 中心发出的光非常重要。因此，在本研究中，为了实现能够高灵敏度磁检测的金刚石量子传感器，我们自主设计并制造了一种新型纳米光学谐振器结构，能够实现集体NV中心发射强度增强和高效光提取。这样做。该研究首次将光学纳米结构和新型制造技术融入金刚石量子传感器领域，具有前所未有的独创性和创造性。

项目成果

Efficient photon extraction of NV centers in diamond by integrating Si3N4 grating structure on diamond

通过在金刚石上集成 Si3N4 光栅结构，有效提取金刚石中的 NV 中心的光子

• 发表时间: 2022
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇;河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇;髙田 晃佑,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,河合 健太,佐藤大地,八井 崇;Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Shun Naruse,Yuji Hatano,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Shinobu Onoda,Takeshi Ohshima,Masaki Sekino,Takashi Yatsui;鳴瀬 駿,勝見亮太,飛沢健,八井崇;Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Masaki Sekino,Takashi Yatsui
• 通讯作者: Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Masaki Sekino,Takashi Yatsui

Transfer-printing-based integration of silicon nitride grating structure on single-crystal diamond toward sensitive magnetometers

基于转移印刷的单晶金刚石氮化硅光栅结构集成到灵敏磁力计

• DOI: 10.1063/5.0107854
• 发表时间: 2022
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi
• 通讯作者: Yatsui Takashi

Design of an ultra-sensitive and miniaturized diamond NV magnetometer based on a nanocavity structure

基于纳米腔结构的超灵敏微型金刚石NV磁力计设计

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac7e10
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Katsumi Ryota;Sekino Masaki;Yatsui Takashi
• 通讯作者: Yatsui Takashi

単結晶ダイヤモンドにおける中空リング構造の作製

单晶金刚石空心环结构的制备

• 发表时间: 2023
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇;河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇
• 通讯作者: 河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇

Transfer-printing-based integration of SiN grating structure on diamond toward highly sensitive quantum sensor

基于转移印刷的金刚石上 SiN 光栅结构集成，用于高灵敏度量子传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: Katsumi Ryota;Hizawa Takeshi;Kuwahata Akihiro;Naruse Shun;Hatano Yuji;Iwasaki Takayuki;Hatano Mutsuko;Jelezko Fedor;Onoda Shinobu;Ohshima Takeshi;Sekino Masaki;Yatsui Takashi;佐藤 大地,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,河合健太,八井 崇;河合 健太,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,髙田 晃佑,佐藤 大地,八井 崇;髙田 晃佑,勝見 亮太,飛沢 健,鳴瀬 駿,河合 健太,佐藤大地,八井 崇;Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Shun Naruse,Yuji Hatano,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Shinobu Onoda,Takeshi Ohshima,Masaki Sekino,Takashi Yatsui
• 通讯作者: Ryota Katsumi,Takeshi Hizawa,Akihiro Kuwahata,Shun Naruse,Yuji Hatano,Takayuki Iwasaki,Mutsuko Hatano,Fedor Jelezko,Shinobu Onoda,Takeshi Ohshima,Masaki Sekino,Takashi Yatsui