NV center

窒素-空孔(NV)センターは、ダイヤモンド中に形成される窒素(N)と空孔(V)からなる格子欠陥です。
これは室温大気圧下においても量子状態を保てる系であり、スピン状態に依存した蛍光を示します。
磁場、電界、さらに温度によるエネルギーレベルの変化を蛍光として読み出すことで高感度センサとして機能します。
NVセンターの個数を制御することで、細胞や分子などのナノスケールな対象から生体磁場などのマクロな対象まで様々な分野への応用が期待されています。

OUR RESEARCH

Ultrahigh sensitivity quantum magnetic sensor

超高感度量子磁気センサ

NVセンターは、磁場の強度により量子状態の共鳴周波数が変化する性質(ゼーマン効果)を持っており、その性質を用いて磁気検出を行います。
磁気検出に寄与するNVセンターの数が多いほど磁気感度が向上するため、高密度なNVセンターを用いることで、室温において医療応用に必要とされるフェムトテスラレベルの感度の実現が期待できます。
当研究室では、高感度NVアンサンブル材料の構築、マイクロ波回路の製作、ノイズキャンセルシステムの導入などによる超高感度磁気センサの実現を目標としています。
 NVアンサンブルの形成には化学気相成長(CVD)法を用いています。
NVセンターはダイヤモンド格子内に形成されるため、4つの軸方向を持ちます。
CVDを利用することで、NVセンターの軸方向を完全に1方向に制御することができ、磁気検出感度を向上させることができます。
当研究室では、高密度かつ完全に1方向に配向したNVセンター薄膜の形成に成功しており、超高感度磁気センサへの適用に向け研究を進めています。

RELATED PAPER

H. Ozawa, K. Tahara, H. Ishiwata, M. Hatano, T. Iwasaki,
“Formation of perfectly aligned nitrogen-vacancy center ensemble in chemical-vapor-deposition-grown diamond (111)”
Appl. Phys. Express., 10, 045501-1~4, 2017.


K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki, N. Mizuochi, M. Hatano,
“Quantifying selective alignment of ensemble nitrogen-vacancy centers in (111) diamond”,
Appl. Phy. Lett., 107, 193110-1~4, 2015


Nano-scale sensing

ナノスケールセンシング

当研究室では高密度、高配向NVセンタデルタドープ薄膜を表面10nm以下の距離に形成し、生体計測を目的とした高感度なナノスケールNMR解析を行っています。
ナノスケールNMR解析を用いることにより、オイル中のプロトンやフッ素を(20nm)^3以下の微小体積から検出することが可能です。
この技術は理論的なフィッテイングと組み合わせることで、表面から1nm程度の領域に存在する表面吸着炭素の厚みを数オングストロームの分解能で同定するなど微小領域における核スピン解析を可能とします。
また、NVセンタを用いた磁気計測ではベクトルイメージングによる磁場方向解析も可能です。
このようにダイヤモンド中のNVセンタはナノスケールの現象を解析する量子センサとして非常に高いポテンシャルを持ちます。
我々はこのセンサを用いた微小領域における生体現象解析を目的としています。

RELATED PAPER

H. Ishiwata, M. Nakajima, K. Tahara, H. Ozawa, T. Iwasaki, M. Hatano,
“Perfectly aligned shallow ensemble nitrogen-vacancy centers in (111) diamond”
Appl. Phys. Lett. 111, 043103 (2017)


Device quantum sensing

デバイス量子センシング

ワイドギャップ半導体は次世代低損失パワーエレクトロニクスを構築する材料として期待されています。
パワーデバイスは高電圧および高温状態で動作することが求められますが、これまでデバイス内部の局所的な電界および温度を計測することは困難でした。
本研究では、NVセンターを利用することでデバイス内部の物理量をナノスケールでセンシングする技術を開発しています。

RELATED PAPER

T. Iwasaki, W. Naruki, K. Tahara, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, D. Takeuchi, S. Yamasaki, M. Hatano,
“Direct Nanoscale Sensing of Internal Electric-Field in Operating Semiconductor Devices Using Single Electron Spins”
ACS Nano, 11, 1238-1245, 2017.