ダイヤモンド量子センサとはダイヤモンドの量子効果を応用したセンサ。

概要

ダイヤモンドに窒素やゲルマニウム、珪素、鉛等の元素をドープすることにより、意図的に格子欠陥を作る。ダイヤモンド結晶構造は、共有結合が4本で物理的に強固な物質でダイヤモンド 結晶構造ができる過程で、結合手を3本しかもっていない窒素原子(N)が炭素原子に置き換わると、図1のように炭素の結合手が1本余ることにより、空孔(Vacancy)ができる。この複合不純物欠陥の空孔に電子を閉じ込めて(ダイヤモンド窒素-空孔中心)、当該電子のスピンと呼ばれる量子状態を制御することにより、磁場や電場、温度、機械的応力を含む各物理量のナノスケールでの測定において従来の手法よりも精度、空間分解能が向上するDoherty, Marcus W., et al. "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond." Physics Reports 528.1 (2013): 1-45.。また、従来であれば量子効果発現や外部からのノイズを減らすために液体ヘリウム等で極低温に冷却したり、専用の重厚なシールド室を必要とする場合もあったが、それらが簡略化若しくは不要になる可能性がある。

原理 NVセンタのエネルギー準位ms（三重項状態）は“0”と“±1”の状態を取る。ここで、“0”は緑色光で励起すると、赤色蛍光を発光して“0”の状態に戻るものの、“±1”は緑色光で励起しても、赤色蛍光は発光されず、“0”に共鳴周波数（2.87GHz）のマイクロ波を照射すると、電子スピン共鳴により、“1”に遷移させることができる。 そして、ms“1”の状態のNVセンタに磁場を印加すると、ゼーマン効果により、当該磁場の大きさに対応するエネルギー差を有するms=+1とms=-1に分割され、当該エネルギー差に対応してマイクロ波の吸収周波数が分離し、マイクロ波の周波数を変化させながら照射して光検出磁気共鳴(ODMR)による当該吸収周波数の分離を計測することで、磁場を高感度で計測できる。また、シュタルク効果により、電場を印加時には同様にマイクロ波の吸収周波数が分離するので、マイクロ波の周波数を変化させながら照射すると、ODMRによる当該吸収周波数の分離を計測することで、電場を高感度で計測できる。更に、温度によってエネルギー準位ms=0 とms=±1 とのエネルギー差が変動するので、マイクロ波の周波数を変化させながら照射して当該吸収周波数のシフトを計測することで、温度を高感度で計測可能で、圧力でも同様の現象が起き、圧力のセンシングも可能。

種類 ダイヤモンド窒素-空孔中心 ダイヤモンドに窒素原子をドープする

ダイヤモンド・ゲルマニウム-空孔中心 ダイヤモンドにゲルマニウム原子をドープする

ダイヤモンド・珪素-空孔中心 ダイヤモンドに珪素原子をドープする

ダイヤモンド・鉛-空孔中心 ダイヤモンドに鉛原子をドープする

想定される用途 走査型プローブ顕微鏡（NV中心磁気顕微鏡、走査型熱顕微鏡） 量子コンピュータ 非破壊検査 生体磁場計測装置（心磁図、脳磁図、筋磁図等）Schirhagl, Romana, et al. "Nitrogen-vacancy centers in diamond: nanoscale sensors for physics and biology." Annual review of physical chemistry 65 (2014): 83-105. 移動体探知、磁性体検知 核磁気共鳴信号の取得 地下鉱脈の捜索 機雷、地雷の探知センサ 単一光子光源

脚注

文献 五十嵐龍治. "ナノダイヤモンド量子センサによるバイオセンシング." 応用物理 91.5 (2022): 290-294. 関野正樹. "ダイヤモンド量子センサによる超高感度磁場計測と生体への応用." 日本神経回路学会誌 30.4 (2023): 159-167. 波多野雄治, 中園晃充, 波多野睦子. "ダイヤモンド量子センサの原理と応用." 電気学会誌 145.6 (2025): 318-322. 関野正樹, et al. "ダイヤモンド NV 量子センサのバイオ・医療応用へ向けて." 応用物理学会学術講演会講演予稿集 第 69 回応用物理学会春季学術講演会. 公益社団法人 応用物理学会, 2022. 佐々木健人, et al. "ダイヤモンド中量子センサによる単一プロトンスピンの検出と制御." 日本物理学会講演概要集 76.1. 一般社団法人 日本物理学会, 2021. 伊藤秀爾, et al. "ダイヤモンド量子センサの励起光強度依存性." 日本物理学会講演概要集 77.2. 一般社団法人 日本物理学会, 2022. 西村俊亮, et al. "ダイヤモンド量子センサによる超伝導体量子渦の測定におけるパルス技術の適用." 日本物理学会講演概要集 78.2. 一般社団法人 日本物理学会, 2023.

関連項目 計測工学 電磁気学 磁性体 物性物理学 ゼーマン効果

外部リンク 量子センシング