研究概要

    我们的研究课题是，基于金刚石中的NV点缺陷，实现电子自旋的控制及超高灵敏度传感器的构建。该项研究在量子通信，生物磁性检测等方面的应用备受瞩目。

    近年来，人工合成金刚石的技术日益成熟，能够在金刚石结构中制造各种点缺陷，NV中心是其中一种。 如图，中心的蓝色区域失去一个碳原子则成为空穴，而它旁边红色区域存在一个被氮原子取代的点缺陷，因此该种点缺陷被称为 nitrogen-vacancy center (NV 中心） (Fig. 1)

    Figure 1, NV center in diamond
    Figure 1, NV center in diamond

    NV中心的优点在于，它在常温下具有超长的横向迟豫时间（T2），因此可以在室温条件下实现对单一NV中心的光学观测，并实现对电子自旋实现的单一操作。

    更多关于NV中心的简要介绍，您可以参考日语采访「ようこそ量子」

    设备及实验方法介绍

    共焦点显微镜装置

    图为共焦点显微镜装置，可以通过NV中心在特定波长的发光，观察单一NV中心，结合磁共振装置，可以实现对NV中心的自旋操纵。

    Figure 2, Confocal microscope with magnetic resonance system
    Figure 2, Confocal microscope with magnetic resonance system

    将含有NV中心金刚石样品置于装载有压电传感器的载物台上，用特定波长的激光激发，并收集NV中心的受激发光。通过记录每个位置的发光强度，通过扫描即可得到如下图所示的荧光图像。 红色的光斑来自于单一NV中心。

    Figure 3, Confocal microscope image of single NV centers
    Figure 3, Confocal microscope image of single NV centers

    研究方向与成果

    基于金刚石的量子传感器

  • 世界上最高灵敏度的单一 NV 金刚石量子传感器，同时是世界上最长的室温电子自旋与合成 n 型金刚石半导体T2―

    • 通过改良n型人工金刚石的半导体合成方法，实现单一NV中心测量的最高敏感度，即世界上最长时间的横向弛豫时间T2的实现。 通过改良磷掺杂的合成方法，在含有NV中心的n型金刚石中，测定得到了世界上最长时间的横向弛豫时间T2。本研究同时也是，在室温条件下通过固态电子自旋量测手法测得的最长的T2。

    参考文献： "Ultra-long coherence times amongst room-temperature solid-state spins",
    Nature Communications, 10, 3766 (2019). [Link]

  • 在维持高灵敏度的前提下，扩宽传感器动态范围

    • 通过独立开发的算法，针对磷掺杂 n 型金刚石中 NV 中心量子传感器，我们成功地将室温下的可测量磁场范围的动态范围, 扩展到了原有低温条件下的两个数量级以上。 得到了在所有单一 NV 中心的量子传感器中，最大的动态范围。 此外，可以通过增加 NV 中心数量来提 高群体测量的灵敏度来实现更宽的动态范围。与此同时，本研究的手法也可以被应用于一些动态范围比较窄的其他传感器，例如超导量子干涉仪和光泵磁力计，即在保持灵敏度的同时扩大量子传感器的测量范围，本研究对扩大量子传感器的应用环境具有重大意义。 此外，由于传 感器与待测物体相互作用的大小在很大程度上取决于距离，这项研究的结果也有望应用于扩大测量范围。

    参考文献： "Ultra-high dynamic range quantum measurements retaining its sensitivity",
    Nature Communications, 2, 306 (2021). [Link]

  • 基于使用 NV 中心的核自旋电学观测方法

    • 在传统手法中，基于金刚石中NV中心的电子自旋和核自旋的观测主要是通过对荧光强度的光学观测来实现的。 近年来，我们首次成功实现基于 NV 中心的核自旋电学观测。 通过对核自旋的量子操控（Rabi 振荡、T2 测量），在室温下核自旋相干性的电 学观测取得成功。本研究是基于NV 中心的集成传感器和量子信息设备的重大突破。

    参考文献： "Room Temperature Electrically Detected Nuclear Spin Coherence of NV centers in Diamond",
    Scientific Reports, 10, 792 (2020). [Link]
    One of the top 100 downloaded physics papers for Scientific Reports in 2020.


  • NV轴方向的控制

    • 在金刚石晶体中，NV中心的NV轴方向通常有如图四个方向。 然而，我们发现在特定条件下，通过化学气相沉积在（111）平面上，可以实现NV 轴方向与 NV 中心的 [111] 轴方向对齐。 在最佳合成 件下，通过光检测磁共振光谱分析，可以证明能够以 99% 或更高的比率实 现对轴方向的控制。 因此，预计使用整体 NV 中心的磁传感器的灵敏度将比其他随机定向传感器高四倍。 作为量子信息领 的一项基础技术，这是一项非常重要的成就。 此研究为与 AIST 及金泽大学的合作项目。 该成果论文获得2016年度应用物理学会论文奖。

    [Web]

    参考文献： "Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy center in diamond",
    Applied Physics Express, 7, 055201 (2014). [Link] : 2016年度 応用物理学会優秀論文賞受賞 [Web]

  • 金刚石高灵敏度量子磁传感器

    • 金刚石中的电子自旋可以被约束在几十纳米的局部区域，以此实现磁场、电场和温度的高精度探测以及对纳米级材料结构进行高精度成像。 本研究的结果提高了电子自旋的寿命，因此可以确保足够的量测时间，有望提高测量灵敏度。 此外，如果超导通量量子比特与金刚石中的多个电子自旋之间能够产生量子纠缠，就有可能实现超越传统精度的量子纠缠传感器，这将有可能被应用于人或动物大脑的活动信 的高精度读取，进而识别脑部病变，对生物工程领域做出贡献。本研究是和NTT、NII、NICT的共同研究

    参考文献："Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system",
    Physical Review Letters, 114, 120501 (2015). [Link] [プレスリリース]

  • 利用碳同位素提高的传感器灵敏度

    • 近年来，合成技术的进步使得电子自旋的顺磁杂质和缺陷的浓度得到抑制，NV中心电子自旋的T2也得到延长。 本研究为了进一步延长优质金刚石的自旋时间，利用碳同位素C12不含有核自旋的特性，提高其含量，将T2成功地延长到室温下为1.8 ms，并得到室温下单个 NV 中心具有最高灵敏度，4.3 nT/(Hz )1/2（交流磁场灵敏度）。

    参考文献："Ultralong spin coherence time in isotopically engineered diamond"
    Nature materials, v. 8, p. 383-387 (2009). [Link]

    参考文献： "Coherence of single spins coupled to a nuclear spin bath of varying density"
    Physical Review B, 80, 041201(R) (2009). (Editors' suggestion) [Link]


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