【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24WS0001

利用課題名 / Title

ダイヤモンド中のＮＶセンターを用いた量子計測に関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

早稲田大学 / Waseda Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

ダイヤモンド,NVセンター,電荷安定性,酸素終端,プラズマアッシャー,ナノカーボン/ Nano carbon,スピン制御/ Spin control,原子層薄膜/ Atomic layer thin film

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

齋藤 大樹

所属名 / Affiliation

早稲田大学 基幹理工学研究科 電子物理システム学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Akirabha Chanuntranont,三宅悠斗,太田 智基,関口顕,黒木辰也,小林由佳,織田有咲,山野颯

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

谷井孝至,柏木誠

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

WS-006：プラズマアッシャー

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ダイヤモンド中の負に帯電したNVセンターの電子スピンは量子計算や量子計測にとって優れた特性を有する。とくにダイヤモンド表面から数ナノメートルにある浅い単一のNVセンターは極近傍の核スピンのみを検出可能な高空間分解能を備え、単一分子の構造解析を行うナノスケールNMRの磁気プロ―ブとしての活用が期待される。NVセンターはダイヤモンド表面や近傍欠陥の影響で電子を失い、量子計測に利用できない状態となることが知られ、ダイヤモンド表面を酸素終端とすることでその解決が図られてきた。ナノ・ライフ創新研究機構のプラズマアッシャー装置を用いて浅いNVセンターを含むダイヤモンド表面を酸素終端とし、NVセンターの電荷状態安定化を試みる。

実験 / Experimental

早稲田スポークのプラズマアッシャー装置を用いて、O2プラズマによるダイヤモンド表面の洗浄と酸素終端化を行った。試料は4 mm角のダイヤモンド基板表面より深さ約5 nmに単一のNVセンターが2 マイクロメートル間隔で格子状に規則配列している。酸素ガスの流量100sccm, 高周波出力200W, 処理時間5minを条件として処理を行った。研究室所有のレーザー走査型共焦点蛍光顕微鏡を用いて、ＮＶセンターの観察を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

レーザー走査型共焦点蛍光顕微鏡像を図1に示す。輝点はそれぞれNVセンター由来の蛍光である。従来は同様の電荷状態安定性を得るために、30分間の熱混酸処理や4時間の酸素雰囲気での熱処理を行っていた。本手法では、これまでと比較して5分間という短時間の処理で電荷状態を安定化する酸素終端が得らえれると確認できた。O2プラズマによるダイヤモンド表面の処理はNVセンターを用いた量子計測への活用に有用である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1　O2プラズマにより酸素終端としたダイヤモンド中NVセンターのレーザー走査型共焦点蛍光顕微鏡像．空気中で吸着した炭化水素物からの背景光がなく、浅い単一NVセンター配列からの蛍光が、同じくNVセンターで形成したアドレスマーク（b55）とともに明瞭に観察されている．

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Akirabha Chanuntranont, Real‐Time Nuclear Magnetic Resonance Detection Using Maximum Likelihood Estimation with Single‐Shallow‐Nitrogen‐Vacancy Centers in Quantum Heterodyne Measurements, physica status solidi (a), 222, (2024).
   DOI: 10.1002/pssa.202400307
   
2. Tomoki Ota, Measuring NV center depth in real time taking advantage of maximum likelihood estimation: a proof-of-concept simulation study, Japanese Journal of Applied Physics, 64, 030904(2025).
   DOI: 10.35848/1347-4065/adba23
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 関口顕，臼井俊太郎，齋藤大樹，三宅悠斗，田中学，品田高宏，川原田洋，谷井孝至, "NVセンター電子スピンとダイヤモンド表面上の電子スピンの二重共鳴計測"日本表面真空学会2024年度関東支部講演大会（東京），2024年4月5日
2. Akirabha Chanuntranont, Daiki Saito, Kazuki Otani, Tomoki Ota, Yuki Ueda, Masato Tsugawa, Shuntaro Usui, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii, "Real-time monitoring of qdyne measurements with shallow single NV centers in diamond using nanopillars and maximum likelihood estimation"第６回量子生命科学会（東京），2024年5月30日
3. 小林 由佳, Akirabha Chanuntranont, 太田 智基, 齋藤 大樹, 三宅 悠斗, 関口 顕, 品田 高宏, 川原田 洋, 谷井 孝至, "NVセンタを用いた量子計測における最尤法の活用"第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟），2024年9月16日
4. 織田有咲，関口顕，臼井俊太郎，齋藤大樹，三宅悠斗，田中学，品田高宏，寺地徳之，小野田忍，安東秀，川原田洋，谷井孝至, "NVセンターを用いたニトロキシドラジカルとP1センターの電子二重共鳴計測"第86回応用物理学会秋季学術講演会（新潟），2024年9月16日
5. Tomoki Ota, Akirabha Chanuntranont, Yuka Kobayashi, Daiki Saito, Yuto Miyake, Ken Sekiguchi, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii , ""Application of Maximum Likelihood Estimation to Quantum Sensing with Nitrogen-Vacancy Centers"The 4th International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA2024)(Tokyo) ，2024年10月3日
6. 谷井孝至，ﾁｬﾉﾝﾄﾗﾉﾝﾄ ｱｷﾗﾊﾞｰ，太田智基，小林由佳，臼井俊太郎，齋藤大樹，三宅悠斗，関口顕, "ダイヤモンド中の単一 NV センタを用いた実時間量子計測に関する考察"第72回応用物理学会春季学術講演会（名古屋），2025年3月17日
7. Daiki Saito, Akirabha Chanuntranont, Yuto Miyake, Shuntaro Usui, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii, "Charge state stabilization of shallow single NV centers by self-assembled monolayer deposition on the diamond surface"The 10th International Symposium on Surface Science(ISSS-10)(Kita-kyushu)，2024年10月24日
8. Akirabha Chanuntranont, Tomoki Ota, Yuka Kobayashi, Daiki Saito, Yuto Miyake, Ken Sekiguchi, Arisa Oda, Shuntaro Usui, and Tanii Takashi, "Maximum Likelihood Estimation for Real-Time Data Analysis During NV-Center NMR measurements"国際・産学連携インヴァースイノベーション 材料創出プロジェクト公開討論会（東京），2025年3月2日
9. Ken Sekiguchi, Arisa Oda, Shuntaro Usui, Daiki Saito, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Manabu Tanaka, Toshu An, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii, "Identification of surface dangling bonds, nitroxide radicals and P1 centers by double electron-electron resonance using NV centers in diamond"37th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2024)(Kyoto)，2024年11月13日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件