東工大ら,NVセンタのスピン情報を電気的に検出

東京工業大学と産業技術総合研究所は,量子センサとして機能するダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)センタのスピン情報を,ダイヤモンドデバイスを用いて電気的に検出することに成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)センタは,生体磁場など微弱な磁場を検出可能な量子センサとして機能する。通常はNVセンタが発する蛍光を光検出器により計測するが,光学素子による信号の減衰や,素子数の増加による大型化により性能改善と集積化を両立させることが困難となる問題があった。

この光学的検出に対して,従来は金属-ダイヤモンド(絶縁体)-金属のMIM構造を用いた電気的検出が取り組まれていたが,より高感度で小型なセンサシステム構築に発展可能なデバイス構造による電気的検出が求められていた。

研究では,横型のダイヤモンドp-i-nダイオード構造を利用したNVセンタの電気的検出技術を実証した。研究グループが今回開発したダイヤモンドp-i-nダイオードは,i層の上に化学気相合成法を用いて高濃度に不純物をドーピングしたp層およびn層をパターン形成した構造を有する。NVセンタは窒素イオン注入によって,i層中に形成した。

レーザーによる光励起によってp層近傍のNVセンタから発生した光キャリアは,外部電圧を印加しない状態においても計測できることがわかった。これは,ドーピングが異なるダイヤモンドの接合部に発生する内蔵電位によって,効率的に光キャリアを収集できていることを示す。

0から10mWの光を照射した場合に,照射光のパワーに応じた光電流が得られた。マイクロ波を印加しながらNVセンタからのスピン情報を電気的に検出するPDMR測定に成功し,量子センサとして機能することを実証した。

従来はNVセンタから生成された光キャリアがどの程度の距離を移動できるか明らかになっていなかった。この研究では,光照射の位置を変えて,電気的信号の距離依存性を測定することで,NVセンタから発生する光キャリアの拡散長の測定を世界で初めて行なった。この知見は固体量子センサの集積化の設計において重要となるものだとする。

この研究は,ダイヤモンドデバイス技術に基づく量子センサの効率的な電気的検出および集積化に道を開くものであり,今後,ダイオードのアバランシェ増倍によってNVセンタからの信号強度を数桁向上させられる可能性も有しているため,高感度固体量子センサの発展への貢献が期待できるとしている。

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