【速報】京大、低周波信号の新たな高感度量子センシング手法を開発
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京都大学(京大)は11月1日、低周波数の交流磁場を高感度かつ高周波数分解で計測が可能な、ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)量子センサを用いた新たなセンシング手法を考案したことを発表した。
ダイヤモンド中のNV中心は磁場、電場、温度、圧力などの高感度な量子センサとして利用でき、その空間分解能もナノメートルレベルを実現できるなど、注目が集まっている。具体的には、細胞内計測やタンパク質の構造解析といった生命科学分野、微細なデバイス評価装置用センサなどへの応用が期待されている。
近年、「量子ヘテロダイン(Qdyne)法」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た。同手法により、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た。
しかしQdyne法では、感度が数十kHz程度で最も良くなるが、それ以外の周波数では著しく感度が落ちるという課題を抱えていた。そこで研究チームは今回、この課題を解決すべく、検出信号の特にさら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することが可能な計測手法を考案することにしたという。
具体的には、まず「自由誘導減衰信号計測」を実施。光励起(532nm)照射によりスピンが初期化され、続いて90度マイクロ波パルスによりスピンコヒーレンスが生成され、τ秒後の90度マイクロ波パルスによりコヒーレンスが分極に移され、その後、光読み出しが行われる。その後、自由誘導減衰信号計測が繰り返され、その信号(磁場)強度に応じてスピンコヒーレンスの位相の変化が測定、信号(磁場)強度の計測となるとのことで、信号(磁場)をオシロスコープで観測するように測定することが可能なことが特徴だという。
https://i.imgur.com/G719rn5.jpg 実際に、今回の手法について、感度の周波数依存性を実験および理論的に見積もりが行われたところ、従来技術での結果(シミュレーション結果)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った一方、今回の手法の実証実験結果では、1Hzレベルの低周波領域でも感度を維持できていることが確認されたという。また、1個のNV中心を用いた際の実証の結果では、感度としては約10nT/(Hz)1/2が実現することが示されたとする。多数のNV中心を含むアンサンブル系での測定により、さらなる桁違いの高感度化が期待できるとした。
さらに、同手法により、水分子のNMRがNV中心により計測されたところ、最小で1.6Hzの線幅が計測され、これはこれまでの最小値(>10Hz)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、世界最小級の線幅が実証されたという。
なお、今回の実証実験では、核スピンから生じる磁場が計測されたが、今回考案された手法は、磁場以外にも電場、温度、圧力などの物理量を計測することも可能だと研究チームでは説明するほか、NV中心以外のほかの量子センサでも適用できるという。
また、低磁場NMRで得られる低周波数のNMR信号の計測にも用いることも期待されるとしており、低磁場NMRでは、一般的な高磁場NMRとは異なった情報を与えてくれることから、化学分析や素粒子研究への応用など、幅広い分野での適用が期待されるともしており、今後は、これらの実証実験への展開も行っていくことを検討しているとも述べている。
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20221104-2504148/2 最近ThorlabsでもNVセンター用ダイヤモンド売ってってビビった ■ このスレッドは過去ログ倉庫に格納されています
