量子ヘテロダイン法を用いたNV量子センサ内臓装置のイメージ

 

1. 背景
　近年、超高感度センサや量子情報素子応用の観点からダイヤモンド中のNV中心が注目されています。NV中心について特筆すべき点としては、室温で1個（単一）のNV中心が有するスピンを観測でき、さらに他材料に比べ、室温でも際立って長いスピンコヒーレンス時間（T₂）を有する点があげられます。量子センサの観点ではT₂が長いほど感度が良くなります。NV中心では磁場、電場、温度、圧力などの高感度センサとしての応用が期待され、また1個1個を観測できる点から、ナノメートルレベルでの高空間分解能も実現できます。そのため、NV中心による量子センサは高空間分解能、且つ高感度を要求される細胞内計測、タンパク質物質の構造解析などの生命科学分野や、微細なデバイス評価装置用センサなどへの応用も期待されています。また、センサ感度は一度に計測するNV中心の数を増やすことにより、空間分解能が悪くはなりますが、さらに感度を飛躍的に高めることができます。原理的には、液体ヘリウムを用いないと動作できない超伝導量子干渉計の感度（フェムトテスラ）レベルや、気相中のガスを用いた光ポンピング磁力計の感度（フェムトテスラ）レベルに、固体でありながら室温でも到達することが期待できます。このため、心磁計、脳磁計などの医療機器を含め、極めて高い感度が要求される分野においても、幅広い応用が期待されます。

 

2. 研究手法・成果
　近年、量子ヘテロダイン（Qdyne）法[1]とよばれる、原理的にはスペクトル線幅を任意に先鋭化可能な手法が提案されました[1]。この手法により、NV中心による核磁気共鳴（NMR）計測において、構造解析を行えるようなスピン間結合が観測できるほどのレベルのスペクトル線幅が得られることが実証されました[2]。しかし、Qdyne法では、感度が数十kHz程度で最も良くなりますが、それ以外の周波数では著しく感度が落ちるという課題がありました。我々はこの課題を解決すべく、検出信号の特に更なる低周波領域でも高感度を維持しつつ、スペクトル線幅を任意に先鋭化可能な計測を可能とする手法を考案しました。その新規手法による計測アルゴリズムの概略を図１に示しました。

　本手法では、まず図１(a)に示す自由誘導減衰信号計測を行います。光励起(532 nm)照射によりスピンを初期化し、次に90度マイクロ波パルスによりスピンコヒーレンスを生成し、τ秒後の90度マイクロ波パルスによりコヒーレンスを分極に移し、その後、光読み出しを行います。次に図１(b)に示しますように、図１(a)の自由誘導減衰信号計測を繰り返し、黄色部での信号を計測します。次に図１(c)に示しますように図１(b)の各黄色領域での信号（磁場）強度に応じてスピンコヒーレンスの位相の変化が計測され、信号（磁場）強度を計測します。このように信号（磁場）をオシロスコープで観測するように計測できます。 我々は、考案した手法の感度の周波数依存性を実験、及び理論的に見積もりました。その結果を図２に示します。図２には単一NV中心を用いた場合の実証実験結果を、従来技術であるハーンエコー法による感度の周波数依存性（ピンク色点線）とパルス光検出磁気共鳴法（オレンジ色点線）との比較も含めて示しました。新規手法の実証実験結果を青色の点で示しています。ピンク色の点で示した従来技術での結果（シミューレション結果）は、低周波数側では数百Hzの領域において感度が著しく悪くなります。一方で、青色で示した本手法の実証実験結果では、1 Hzレベルの低周波数から実証実験を行い、低周波領域でも感度を維持できていることが示されています。図２に示した実証では1個のNV中心を用いた際の結果で、感度としては約10 nT/(Hz)^1/2が実現することを示しています。多数のNV中心を含むアンサンブル系での測定により、更なる桁違いの高感度化が期待できます。

　我々は更に、この手法により、水分子のNMRをNV中心により計測しました。その結果を図３に示します。この測定における試料は既存のNMR装置の磁場中におかれ、ダイヤモンド試料に誘導されたNMR信号をNV中心により計測しています。図３(b)に示しますように、最小で1.6 Hzの線幅が計測され、これはこれまでの最小値（>10 Hz）に比べ細く、NV中心を用いて計測したNMR信号の線幅としては、世界最小線幅を実証しました。