京大ら,超短パルスレーザーでNV中心を直接書込み

京都大学と神戸大学は,超短パルスレーザーにより優先配向したNV中心の直接書き込みに成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は,量子情報デバイスに適用できる量子ビットとして広く注目されている。量子情報デバイスの優れた特性は,NV中心の濃度や配向性によって左右される。

NV中心の配向制御は,これまでのところ,化学気相成長法 (CVD)によるダイヤモンド結晶成長時においてのみ実現されているが,結晶内の任意の位置に自在に配向制御されたNV中心を形成するプロセスが求められている。

これまでに,N2ガスやO2ガスの超短パルスレーザー照射によるイオン化効率は偏光状態に依存すること,LiF結晶において超短パルスレーザーの吸収が偏光方向に依存することが報告されている。このような現象は,分子または結晶軸と電場方向の相対角度によって,電子の有効質量や3次非線形感受率に異方性が生じるためと考えられる。

また,ガラスなどの等方性材料でも,偏光方向に依存した現象が観察されるが,これは多光子吸収過程の量子干渉やコヒーレント光起電力効果に基づく光イオン化の非対称性に由来すると考えられる。

このように,多光子吸収などの非線形光学現象や光イオン化が照射レーザーの偏光状態に依存することから,ダイヤモンドにおけるNV中心の形成もレーザーの偏光方向の影響を受ける可能性があると考えた。

研究グループは,ダイヤモンド内で光励起された電子数と電子バンドにおける偏光依存性を,時間依存密度汎関数法 (TDDFT)に基づく計算を実施したところ,励起電子数や電子バンド毎に偏光依存性があることを確認した。

さらに,実際にダイヤモンドに超短パルスレーザーを照射し,形成したNV中心における光検出磁気共鳴(ODMR)の検出信号のコントラストや偏光蛍光顕微鏡観察の結果から,NV軸の配向方向は,照射レーザーの偏光方向に応じて[111]に平行な方向に偏り,光検出磁気共鳴(ODMR)の検出信号のコントラストが,ランダム配向の場合の25%と比較して,最大で55%まで増加することを実験的に示した。

研究グループは,この研究成果は,ダイヤモンドNV中心形成のポストプロセスとして,量子情報デバイスの新しい製造方法に道を拓くものと期待されるとしている。

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