研究概要

概要

近年,ダイヤモンドは人工合成されるようになってきました。我々は宝石の王様として知られるダイヤモンドを用いた研究を行っています。炭素からできているダイヤモンド中には様々な不純物を混入させることができます. 中には炭素が抜けてできた空孔(V)と窒素(N)の対からなるNV中心と呼ばれるものがあります。

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

NV中心の注目すべき点として、一つ一つのNV中心を光学的に室温で観測でき(Fig. 2)、且つNV中心が持つ一つ一つのスピンを室温で操作及び検出できる(Fig. 4)点があります。更に他にも優れた特性を有します。それらの優れた特性から、 NV中心は磁場などの超高空間分解・超高感度センサ,量子情報素子、バイオマーカー等への応用も期待でき、化学、物理、生物に渡る幅広い分野において注目されています。

インタビュー記事「ようこそ量子」に「なぜダイヤモンドなのか?」「物質の中のスピンを観測する」「室温で動作する量子デバイス」などについて、平易に記載されています。こちらもご覧ください。

主な研究と成果

ダイヤモンド量子センサ


ダイヤモンド量子コンピュータ・量子暗号通信素子

home-made 共焦点レーザー顕微鏡装置

home-made 共焦点レーザー顕微鏡装置を筑波大学で立ち上げました。下図はその概略図です。一つ一つのNV中心を観測でき,さらに磁気共鳴装置を組み合わせることにより, NV中心の持つスピンの操作と観測ができます。(単一スピンの操作と観測)

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

測定ではピエゾステージを用いて試料上にレーザー光を掃引し,発光を観測しています。各位置での発光強度を記録することにより,下図のように蛍光像が得られます。赤で示されている輝点が単一NV中心からの発光で,ご覧頂けるように一つ一つ手に取るように観測されます。NV中心であることは発光スペクトルや磁気共鳴スペクトルから決定され, 単一であることはHanbury-Brown Twiss干渉計による2 次相関関数の測定から決定できます。

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

単一スピンの観測と制御

単一NV中心を観測することにより,単一NV中心の持つ単一の電子スピンの観測と制御が可能となります。室温で可能となる点は特筆すべき点です。下の図は単一電子スピンのラビ振動です。我々は更にNV中心の電子スピンと結合した複数の13C(I=1/2)核スピンの観測と制御にも成功しました! Physical Review B, 80, 041201(R) (2009). (Editors Suggestions)

Figure 4, Rabi oscilation of single spin of NV center
Figure 4, Rabi oscilation of single spin of NV center