JP2025100334A - ダイヤモンド量子センサー、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサーおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性および再現性が高いダイヤモンド量子センサーならびにそれを備えるダイヤモンドアンビルセル型量子センサーおよび測定装置を提供する。
【解決手段】
本発明の一の態様によれば、窒素－空孔中心を含む窒素－空孔中心含有ダイヤモンド１１と、窒素－空孔中心にマイクロ波を誘導するためのマイクロ波誘導路として機能する不純物ドープダイヤモンド１２と、を備え、不純物ドープダイヤモンド１２が、導電性を有し、かつ窒素－空孔中心含有ダイヤモンドと化学的に結合されている、ダイヤモンド量子センサー１０が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダイヤモンド量子センサー、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサーおよび測定装置に関する。

ダイヤモンド中の窒素と欠陥が結合して新たなエネルギー準位を形成する窒素－空孔中心（ＮＶセンター）は、そのスピンの量子状態が外場によって敏感に応答することから、次世代の量子センシング技術として期待されている。

ＮＶセンターを含むＮＶセンター含有ダイヤモンドを用いたセンサーとしては、例えば、対向するダイヤモンドアンビルの間に被測定試料を挟持するとともにダイヤモンドアンビルで被測定試料を圧縮することにより被測定試料の物性を測定するセンサーが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、ＮＶセンターを駆動するためには、外部からマイクロ波を照射する必要がある。非特許文献１では、白金製のマイクロ波ワイヤー（ＭＷワイヤー）をトップキュレット上に配置して、ＭＷワイヤーでマイクロ波をＮＶセンターに照射している。

また、ＮＶセンター含有ダイヤモンドを用いていないが、ダイヤモンドアンビルの間に被測定試料を挟むとともに一方のダイヤモンドアンビルにホウ素ドープダイヤモンド薄膜により形成された電極パターンを有するセンサーも知られている（例えば、特許文献１参照）。

P.Bhattacharyya et al., "Imaging the Meissner effect and flux trapping in a hydride superconductor at megabar pressures using a nanoscale quantum sensor", Superconductivity (cond-mat.supr-con), arXiv:2306.03122 v1[cond-mat.supr-con], 5 June 2023

国際公開第２０１７／０３８６９０号

しかしながら、非特許文献１の技術では、ＭＷワイヤーをトップキュレット上に配置して、ＭＷワイヤーでマイクロ波をＮＶセンターに照射しているが、ダイヤモンドアンビルによってＭＷワイヤーが潰されてしまい、ＭＷワイヤーの形状が変化してしまう、またはＭＷワイヤーが切断されてしまうことがある。また、ＭＷワイヤーを手作業で配置するので、毎回同じ位置にＭＷワイヤーを配置することは困難であり、再現性に劣る。

また、特許文献１の技術は、ホウ素ドープダイヤモンドを用いているが、ホウ素ドープダイヤモンドはＮＶセンターにマイクロ波を誘導するためのものではない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものである。すなわち、耐久性および再現性が高いダイヤモンド量子センサーならびにそれを備えるダイヤモンドアンビルセル型量子センサーおよび測定装置を提供することを目的とする。

[１]窒素－空孔中心を含む窒素－空孔中心含有ダイヤモンドと、前記窒素－空孔中心にマイクロ波を誘導するためのマイクロ波誘導路として機能する不純物ドープダイヤモンドと、を備え、前記不純物ドープダイヤモンドが、導電性を有し、かつ前記窒素－空孔中心含有ダイヤモンドと化学的に結合されている、ダイヤモンド量子センサー。

[２]前記不純物ドープダイヤモンド中の不純物が、ホウ素である、上記［１］に記載のダイヤモンド量子センサー。

[３]前記不純物ドープダイヤモンド中の前記ホウ素の濃度が、１×１０^２０ｃｍ^－３以上である、上記［２］に記載のダイヤモンド量子センサー。

[４]前記不純物ドープダイヤモンドは、切欠き部および前記切欠き部によって離間した２つの端部を有する環状部と、前記環状部の各前記端部から一続きに延びる端子部とを備えている、上記［１］ないし［３］のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサー。

[５]前記環状部が、円環状である、上記［４］に記載のダイヤモンド量子センサー。

[６］上記［１］ないし［５］のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサーと、前記不純物ドープダイヤモンドの表面側に配置され、かつ前記ダイヤモンド量子センサーとの間で被測定試料を挟持するダイヤモンド圧子と、を備える、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー。

[７]上記［１］ないし［５］のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサーまたは上記［６］に記載のダイヤモンドアンビルセル型量子センサーと、前記窒素－空孔中心に前記窒素－空孔中心が励起する緑色レーザー光を照射する緑色レーザー光照射系と、前記不純物ドープダイヤモンドにマイクロ波を導入するマイクロ波導入系と、前記窒素－空孔中心から発せられる赤色光を検出する検出系と、を備える、測定装置。

本発明によれば、耐久性および再現性が高いダイヤモンド量子センサー、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー、および測定装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係るダイヤモンド量子センサーの模式的な平面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。 図３は、実施形態に係る他のダイヤモンド量子センサーの模式的な平面図である。 図４は、図３のＢ－Ｂ断面図である。 図５は、実施形態に係るダイヤモンドアンビルセル型量子センサーの概略構成図である。 図６は、実施形態に係る他のダイヤモンドアンビルセル型量子センサーの概略構成図である。 図７は、実施形態に係る測定装置の概略構成図である。 図８は、実施例１に係るダイヤモンド量子センサーの光学顕微鏡写真である。 図９は、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素ドープダイヤモンドのホウ素濃度を算出する際に用いたグラフである。 図１０は、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーの温度と電気抵抗率の関係を示すグラフである。 図１１は、実施例５に係る磁気センシング測定装置で磁場をセンシングした結果を示すグラフである。 図１２は、Ｒａｂｉ振動測定装置の構成図である。 図１３は、実施例２に係るダイヤモンド量子センサーの環状部内側の各点でＲａｂｉ振動数を測定したときのＲａｂｉ振動数のマッピング図である。 図１４Ａは、図１３の位置４でのＲａｂｉ振動数のグラフであり、図１４Ｂは、図１３の位置５５でのＲａｂｉ振動数のグラフである。 図１５は、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素濃度に対するＲａｂｉ振動数を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るダイヤモンド量子センサーおよび測定装置について説明する。図１は、本実施形態に係るダイヤモンド量子センサーの模式的な平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、本実施形態に係る他のダイヤモンド量子センサーの模式的な平面図であり、図４は、図３のＢ－Ｂ断面図である。図５、図６は、本実施形態に係るダイヤモンドアンビルセル型量子センサーの概略構成図であり、図７は、本実施形態に係る測定装置の概略構成図である。

＜＜ダイヤモンド量子センサー＞＞
図１および図２に示されるようにダイヤモンド量子センサー１０は、窒素－空孔中心（以下、「ＮＶセンター」と称する。）を含む窒素－空孔中心含有ダイヤモンド（以下、「ＮＶセンター含有ダイヤモンド」と称する）１１と、ＮＶセンターにマイクロ波を誘導するためのマイクロ波誘導路として機能する不純物ドープダイヤモンド１２とを備えている。

＜ＮＶセンター含有ダイヤモンド＞
ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１は、窒素（Ｎ）－空孔（Ｖ）対を含むダイヤモンドである。ＮＶセンターは、隣接する２個の炭素原子を窒素原子と原子空孔のペアで置き換えられた構造を有し、１個のＮと１個のＶが隣接して存在する。

ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１は、ＮＶセンターを含む部分が存在すれば、ＮＶセンターを含んでいない部分が存在してもよい。図１および図２に示されるＮＶセンター含有ダイヤモンド１１は、ＮＶセンターを含む部分のみから構成されている。

ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１中のＮＶセンターの濃度は、１．７７×１０^１６ｃｍ^－３以上１．７７×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましい。ＮＶセンターの濃度が、１．７７×１０^１６ｃｍ^－３以上であれば、ＮＶセンターに緑色レーザー光およびマイクロ波を照射したときにＮＶセンターから十分な発光が観測される。ＮＶセンターの濃度が、１．７７×１０^１８ｃｍ^－３以下であれば、ＮＶセンター同士の相互作用による測定の精度の低下を抑制できる。上記ＮＶセンターの濃度の下限は、５．３２×１０^１６ｃｍ^－３以上または１．７７×１０^１７ｃｍ^－３以上であることがより好ましく、上記ＮＶセンターの濃度の上限は、１．４２×１０^１８ｃｍ^－３以下であることがより好ましい。ＮＶセンターの濃度は、電子スピン共鳴法によって測定することができる。

ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の形状は、特に限定されず、例えば、長方形や正方形等の多角形の板状となっていてもよい。ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１が板状の場合には、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の厚みは、１００ｎｍ以上であることが好ましい。この厚みが、１００ｎｍ以上であれば、磁場などを測定するのに十分なＮＶセンターを確保できる。

＜不純物ドープダイヤモンド＞
不純物ドープダイヤモンド１２は、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１と化学的に結合されている。不純物ドープダイヤモンド１２は、例えば、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の表面１１Ａに不純物ドープダイヤモンド１２をエピタキシャル成長させることによってＮＶセンター含有ダイヤモンド１１と化学的に結合させることができる。

不純物ドープダイヤモンドは、導電性を有している。不純物ドープダイヤモンドに含まれる不純物は、不純物ドープダイヤモンドに導電性を発揮させるものであれば、特に限定されない。このような不純物としては、例えば、ホウ素、リン等が挙げられる。これらの中でも、電気抵抗率が低い点から、ホウ素が好ましい。なお、不純物がホウ素の場合には、不純物ドープダイヤモンドはホウ素ドープダイヤモンドとなり、不純物がリンの場合には不純物ドープダイヤモンドはリンドープダイヤモンドとなる。

不純物ドープダイヤモンドの不純物としてホウ素を用いた場合（ホウ素ドープダイヤモンドの場合）、ホウ素ドープダイヤモンド中のホウ素の濃度は、１×１０^２０ｃｍ^－３以上であることが好ましい。ホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗率は温度依存性があるものの、上記ホウ素の濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３以上であれば、少なくとも高温側（例えば室温以上）で電気抵抗率が低いので、高温側でダイヤモンド量子センサーとして使用することができる。上記ホウ素の濃度は、２×１０^２０ｃｍ^－３以上であることがより好ましく、３×１０^２０ｃｍ^－３以上であることがさらに好ましい。上記ホウ素の濃度が、２×１０^２０ｃｍ^－３以上であれば、ホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗率の温度依存性が小さいので、高温側のみならず、低温側でも、すなわち広い温度範囲でダイヤモンド量子センサーとして用いることが可能である。上記ホウ素の濃度は、不純物ドープダイヤモンドに含有できるホウ素量の限界値の観点から、８×１０^２１ｃｍ^－３以下であってもよい。

ホウ素ドープダイヤモンド中のホウ素の濃度は、例えば、Julie V. Macpherson, “A practical guide to using boron doped diamond in electrochemical research”, Phys.Chem.Chem.Phys., 2015, 17, 2935-2949（以下、この文献を「非特許文献２」と称する。）の図３のホウ素がドープされたダイヤモンドにおけるホウ素の濃度と電気抵抗率の関係を示したグラフと比較することにより求めることが可能である。具体的には、まず、非特許文献２の図３において、プロットに基づく近似線を引く（図９参照）。また、非特許文献２の図３のグラフは、室温でのホウ素濃度と電気抵抗率との関係を示すものであるので、ホウ素ドープダイヤモンドの室温（例えば、２５℃）での電気抵抗率を測定する。その後、非特許文献２の図３において、測定した電気抵抗率と上記近似線と交差する箇所を見付ける。この交差した箇所のホウ素濃度が、ホウ素ドープダイヤモンドのホウ素濃度とする。

図１に示される不純物ドープダイヤモンド１２の形状は、長方形となっているが、特に限定されず、例えば、正方形等の多角形状または円状であってもよい。ダイヤモンド量子センサーが、被測定試料の物性等を測定するためのものである場合には、ＮＶセンター含有ダイヤモンドの表面に被測定試料を配置するが、被測定試料に均一にマイクロ波を伝搬させるために、図３に示されるダイヤモンド量子センサー２０の不純物ドープダイヤモンド３０のように、環状部３１を有することが好ましい。

図３および図４に示されるダイヤモンド量子センサー２０は、切欠き部３１Ａおよび切欠き部３１Ａによって離間した２つの端部３１Ｂを有する環状部３１と、環状部３１の各端部３１Ｂから一続きに延びた端子部３２とを備えている。被測定試料は環状部３１の内側に配置される。

環状部３１は、三角環状、四角環状、五角環状等の略多角環状となっていてもよいが、均一に被測定試料にマイクロ波を照射する観点から、円環状となっていることが好ましい。環状部３１が円環状である場合、環状部３１の内径は、被測定試料の大きさにもよるが、１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。

端子部３２は、端子部３２の幅が環状部３１とは反対側に向けて徐々に大きくなっている部分を有することが好ましい。端子部３２の最大幅Ｗ_ｍａｘ（図３参照）は、１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。端子部３２の最大幅Ｗ_ｍａｘが１μｍ以上であれば、導電性ペーストによって端子部３２とワイヤーの接続を容易かつ確実にすることができ、また端子部３２の最大幅Ｗ_ｍａｘが１０００μｍ以下であれば、端子部３２の不要な部分の形成を抑制できる。端子部３２の最大幅の上限は、端子部３２とワイヤーとの接続部における電気抵抗値を低くするために、９９μｍ以下であることがより好ましい。なお、端子部３２の最大幅の下限は、１００μｍ以上であってもよい。

不純物ドープダイヤモンド１２の厚みは、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。この厚みが、１０ｎｍ以上であれば、低い電気抵抗値を得ることができ、また１０００ｎｍ以下であれば、非測定試料とＮＶセンターの距離が十分近いため、非測定試料の物性を正しく測定できる。不純物ドープダイヤモンド１２の厚みの下限は、３０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、または１００ｎｍ以上であることがより好ましい。また、不純物ドープダイヤモンド１２の上限は、上記好ましい範囲に制限されず、例えば、１０μｍ以下、５μｍ以下、または９９ｎｍ以下であってもよい。不純物ドープダイヤモンド１２の厚みが、９９ｎｍ以下であれば、成膜プロセスの時間短縮を行うことができる。不純物ドープダイヤモンド１２の厚みは、原子間力顕微鏡によって測定できる。なお、不純物ドープダイヤモンド３０の厚みも、不純物ドープダイヤモンド１２の厚みと同様である。

＜ダイヤモンド量子センサーの製造方法＞
ダイヤモンド量子センサー１０は、以下のようにして作製することができる。まず、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１を用意する。ＮＶセンター含有ダイヤモンドは、例えば、以下のようにして得ることが可能である。まず、窒素を含ませながらダイヤモンドを作製する。そして、窒素入りダイヤモンドを６００℃以上１０００℃以下の温度でアニールする。これにより、窒素－空孔対が形成されて、ＮＶセンター含有ダイヤモンドが形成される。または、ダイヤモンド表面に窒素含有ダイヤモンドを形成し、その後、６００℃以上１０００℃以下の温度でアニールする。これにより、ＮＶセンター含有ダイヤモンドが形成される。

次いで、不純物ドープダイヤモンド１２を形成する。具体的には、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の表面１１Ａに、例えば、電子線描画法を用いたリフトオフ法によって、金属等のマスクを形成する。その後、マスクが形成されたＮＶセンター含有ダイヤモンド１１に、例えば、マイクロ波プラズマ化学気相成長法によって不純物ドープダイヤモンドの薄膜を形成する。具体的には、不純物ドープダイヤモンド用ガスとして、例えば、メタンおよびトリメチルボロンを水素で希釈した混合ガスを流し、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１に、エピタキシャル成長によって不純物ドープダイヤモンドを形成する。エピタキシャル成長させると、ＮＶセンター含有ダイヤモンドからダイヤモンドの結晶構造を保った状態で成長する。その後、硝酸や硫酸を用いた酸洗浄を行い、マスクを除去する。これにより、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１と化学的に結合した不純物ドープダイヤモンド１２が形成され、ダイヤモンド量子センサー１０が作製される。

上記においては、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の表面１１Ａにマスクを形成した後に、不純物ドープダイヤモンド１２を形成しているが、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の表面１１Ａ全面に不純物ドープダイヤモンドを形成して、その後、不要な箇所を除去して、不純物ドープダイヤモンド１２を形成してもよい。

＜＜ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー＞＞
被測定試料の物性を測定する際には、ダイヤモンド量子センサー１０の代わりに、図５、図６に示されるダイヤモンドアンビルセル型量子センサー４０、７０を用いてもよい。

ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー４０は、図５に示されるようにダイヤモンド量子センサー１０と、ダイヤモンド量子センサー１０との間で被測定試料を挟持するダイヤモンド圧子５０と、ダイヤモンド量子センサー１０とダイヤモンド圧子５０との間に配置されたガスケット６０とを備えている。なお、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー４０は、ガスケット６０を備えていなくともよい。

＜ダイヤモンド量子センサー＞
ダイヤモンド量子センサー１０は、ダイヤモンド量子センサーの欄で説明したものと同様であるが、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー４０として用いる場合、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の厚みは、０．１ｍｍ以上となっていることが好ましい。この厚みが、０．１ｍｍ以上であれば、例えば、０．１ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下の高圧力下でのセンシングが可能となる。ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１の厚みの下限は、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上であることがより好ましく、上限は、２ｍｍ以下となっていてもよい。

＜ダイヤモンド圧子＞
ダイヤモンド圧子５０は、例えばブリリアントカットされたダイヤモンドで、頂部が平らなテーブル面５０Ａ、上部の側面に設けられたクラウン５０Ｂ、上部と下部の境界となるガードル５０Ｃ、下部の側面に設けられたパビリオン５０Ｄ、ダイヤモンド圧子５０の先端に形成された平面部を有するキュレット５０Ｅを備えている。キュレット５０Ｅの平面部は被測定試料（図示せず）に圧接されるもので、平面部の大きさは被測定試料の形状に応じた測定用の密封空間の大きさに適合するように定める。

＜ガスケット＞
ガスケット６０は、被測定試料をダイヤモンド量子センサー１０とダイヤモンド圧子５０で挟んだ状態を保持するとともに、ダイヤモンド圧子５０のキュレット５０Ｅの平面部で押圧されたときに圧縮されて、キュレット５０Ｅの平面部とガスケット６０の中央部の貫通孔６０Ａの壁で形成された密封空間の高圧状態を保持するものである。このガスケット６０には、概ね矩形状の板材が用いられており、例えばプラスチック材料、セラミクス材料や金属材料が用いられる。貫通孔６０Ａは、ガスケット６０の中央部分に設けられるもので、キュレット５０Ｅの平面部により高圧で押されることで、貫通孔６０Ａの周縁部が押し潰されて、内部に密封空間を形成する。なお、被測定試料はこの密封空間に収容されて、高圧状態での物理的特性を評価される。

ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー７０は、図６に示されるようにダイヤモンド量子センサー８０と、ダイヤモンド量子センサー８０との間で被測定試料を挟持するダイヤモンド圧子５０と、ダイヤモンド量子センサー８０とダイヤモンド圧子５０との間に配置されたガスケット６０とを備えている。なお、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー７０は、ガスケット６０を備えていなくともよい。

＜ダイヤモンド量子センサー＞
ダイヤモンド量子センサー８０の形状は、ダイヤモンド量子センサー１０の形状と異なっている。具体的には、図６に示されるダイヤモンド量子センサー８０のＮＶセンター含有ダイヤモンド８１は、例えばブリリアントカットされたダイヤモンドで、頂部が平らなテーブル面８１Ａ、下部の側面に設けられたクラウン８１Ｂ、上部と下部の境界となるガードル８１Ｃ、上部の側面に設けられたパビリオン８１Ｄ、ＮＶセンター含有ダイヤモンド８１の先端に形成された平面部を有するキュレット８１Ｅを備えている。

ダイヤモンド量子センサー８０の不純物ドープダイヤモンド８２は、不純物ドープダイヤモンド３０と同様に、切欠き部および切欠き部によって離間した２つの端部を有する環状部８２Ａと、環状部８２Ａの各端部から一続きに延びた端子部８２Ｂとを備えている。環状部８２Ａは、環状部３１と同様であり、端子部８２Ｂは、端子部３２と同様であるので、ここでは説明を省略するものとする。

＜＜測定装置＞＞
ダイヤモンド量子センサー１０は、図７に示される測定装置９０に組み込まれて用いられる。なお、ダイヤモンド量子センサー１０のみならず、ダイヤモンド量子センサー２０、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー４０、７０を測定装置９０に組み込むことも可能である。測定装置９０は、例えば、磁気、温度、被測定試料の物性等を測定するものである。

測定装置９０は、図７に示されるように、ダイヤモンド量子センサー１０と、ＮＶセンターにＮＶセンターが励起する緑色レーザー光を照射する緑色レーザー光照射系１００と、不純物ドープダイヤモンドにマイクロ波を導入するマイクロ波導入系１１０と、ＮＶセンターから発せられる赤色光を検出する検出系１２０と、を備えている。

＜緑色レーザー光照射系＞
緑色レーザー光照射系１００は、緑色レーザー光を発生させるレーザー光源１０１と、音響光学変調器（ＡＯＭ）１０２と、ハーフミラー１０３と、ガリレイ式ビームエキスパンダ（ＧＢＥ）１０４と、対物レンズ１０５とを備えている。緑色レーザー光照射系１００は、レーザー光源１０１を備えていれば、他の部材は備えていなくともよい。ＡＯＭ１０２は、緑色レーザー光を回折させることにより１次光成分のみに変調させる機能を有し、ＧＢＥ１０４はビーム径を調整する機能を有する。

＜マイクロ波導入系＞
マイクロ波導入系１１０は、マイクロ波発生源（ＳＧ）１１１と、増幅器１１２と、ワイヤー１１３と、導電性ペースト（図示せず）とを備えている。ワイヤー１１３は、マイクロ波発生源１１１と不純物ドープダイヤモンド１２を電気的に接続するためのものであり、導電性ペーストは、ワイヤー１１３を不純物ドープダイヤモンド１２に固定するとともに電気的に接続するためのものである。

＜＜検出系＞＞
検出系１２０は、ダイクロイックミラー１２１と、ローパスフィルター１２２と、ＣＣＤカメラ１２３とを備えている。ダイクロイックミラー１２１は、緑色レーザー光を透過し、ＮＶセンターから発せられる赤色光のみを反射する機能を有し、ローパスフィルター１２２は、ＮＶセンター由来の赤色光のみを透過する機能を有する。

このような測定装置９０においては、まず、レーザー光源１０１から発生した緑色レーザー光を、ＡＯＭ１０２、ハーフミラー１０３、ＧＢＥ１０４、ダイクロイックミラー１２１、対物レンズ１０５を介して、ダイヤモンド量子センサー１０のＮＶセンター含有ダイヤモンド１１に照射する。ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１に緑色レーザー光が照射されると、緑色レーザー光によって励起されたＮＶセンター由来の赤色光のみが、ダイクロイックミラー１２１によって反射され、ローパスフィルター１２２を介してＣＣＤカメラ１２３で撮像される。

一方、マイクロ波発生源１１１によって発生させたマイクロ波の信号を増幅器１１２で増幅して、ダイヤモンド量子センサー１０の不純物ドープダイヤモンド１２に伝送する。ここで、緑色レーザー光をＮＶセンターに照射しながら、マイクロ波の周波数を２．８７ＧＨｚ周辺で掃引すると、発光強度が減少するディップが確認され、この時の周波数が磁気共鳴周波数である。ＮＶセンターに印加される磁場がゼロのとき、ＮＶセンターのスピン三重項のエネルギー準位のうちｍＳ＝±１は縮退しており、ディップは単一となる。磁場が印加された場合、印加磁場に対応した大きさにディップが分裂する。これにより、周辺環境の磁場を測定することができる。

本実施形態によれば、不純物ドープダイヤモンド１２が、ＮＶセンター含有ダイヤモンド１１と化学的に結合されているので、機械的および化学的に安定である。従って、ＭＷワイヤーのような形状変化や金属疲労のような経年劣化による断線を抑制でき、またＮＶセンター含有ダイヤモンド１１に対する位置が測定毎に変わることを抑制できる。これにより、耐久性および再現性に優れている。

不純物ドープダイヤモンドはリソグラフィなどの微細加工技術を用いてパターニングすることにより所望の形状を得ることができるので、ダイヤモンド量子センサー１０に適した形状で不純物ドープダイヤモンド１２を作製することができる。

本発明を詳細に説明するために、以下に実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの記載に限定されない。図８は、実施例１に係るダイヤモンド量子センサーの光学顕微鏡写真であり、図９は、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素ドープダイヤモンドのホウ素濃度を算出する際に用いたグラフであり、図１０は、実施例３～５に係るダイヤモンド量子センサーの温度と電気抵抗率の関係を示すグラフであり、図１１は、実施例５に係る磁気センシング測定装置で磁気をセンシングした結果を示すグラフである。図１２は、Ｒａｂｉ振動測定装置の構成図であり、図１３は、実施例２に係るダイヤモンド量子センサーの環状部内側の各点でＲａｂｉ振動数を測定したときのＲａｂｉ振動数のマッピング図であり、図１４Ａは、図１３の位置４でのＲａｂｉ振動数のグラフであり、図１４Ｂは、図１３の位置５５でのＲａｂｉ振動数のグラフである。図１５は、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素濃度に対するＲａｂｉ振動数を示したグラフである。

＜実施例１＞
実施例１においては、ＮＶセンター含有ダイヤモンド基板上に、形状の異なる二種類のホウ素ドープダイヤモンドを作製して、ダイヤモンド量子センサーを作製した。

ホウ素ドープダイヤモンドからなるマイクロ波誘導路の作製方法は下記通りとした。まず、ＮＶセンター含有ダイヤモンド基板を用意した。ここでＮＶセンター含有ダイヤモンド（エレメントシックス社製）は（１００）配向窒素含有ダイヤモンド基板であり、化学気相成長（ＣＶＤ）法により作製された。ＮＶセンター含有ダイヤモンドの大きさは縦３．０ｍｍ×横３．０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍであった。

次に、マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）法を用いて、ホウ素ドープダイヤモンドの薄膜をＮＶセンター含有ダイヤモンド上に形成した。まず、ＮＶ含有ダイヤモンドを、硝酸と硫酸を１：３の比率で混合し、２００℃に熱した混酸で煮沸洗浄した。しかる後、電子線描画法を用いたリフトオフプロセスによってチタンと金からなるホウ素ドープダイヤモンド形成用の金属マスクを形成した。その後、真空雰囲気中、金属マスク付きＮＶセンター含有ダイヤモンドを４５０℃で１時間アニールした。

その後、７０Ｔｏｒｒ（９３３２Ｐａ）のチャンバ圧力、５００Ｗのマイクロ波電力、５００～６００℃の基板温度の条件下で、メタンと水素で希釈されたトリメチルボロンの混合ガスを用いてホウ素ドープダイヤモンドの薄膜の成膜を行った。原料ガスにおける炭素に対するホウ素の濃度は３％であった。６０分の堆積後に厚さおよそ１μｍの薄膜が得られた。成膜したホウ素ドープダイヤモンドにおけるホウ素濃度は約１×１０^２１ｃｍ^－３であった。ホウ素濃度は、後述する実施例２～４で説明する方法と同様の方法によって算出した。

その後、硝酸と硫酸を１：３の比率で混合し、２００℃に熱した混酸を用いた酸洗浄によって、チタンと金から成る金属マスクを溶解することで、マイクロ波誘導路として機能する２種類の薄膜状のホウ素ドープダイヤモンドを形成した。

一方のホウ素ドープダイヤモンドは、図８に示されるように長方形状であった。他方のホウ素ドープダイヤモンドは、切欠き部および前記切欠き部によって離間した２つの端部を有する環状部と、環状部の各端部から一続きに延びた端子部とを備えているものであった。これらのホウ素ドープダイヤモンドは、異なる形状の金属マスクを用いて作製したものであった。

＜実施例２～４＞
実施例２～４においては、ホウ素の濃度を様々に変えて作製したホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗率の温度依存性を評価した。具体的には、ホウ素ドープダイヤモンドを作製する過程のＭＰＣＶＤプロセスにおいて、水素で希釈されたトリメチルボロンガスの流量を７ｓｃｃｍ（実施例２）、２ｓｃｃｍ（実施例３）、１ｓｃｃｍ（実施例４）と変化させて、マイクロ波誘導路として機能するホウ素ドープダイヤモンドを作製したこと以外は、実施例１と同様の手順によって、切欠き部および前記切欠き部によって離間した２つの端部を有する環状部と、環状部の各端部から一続きに延びた端子部とを備えるダイヤモンド量子センサーを得た。

実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーにおいて、ホウ素ドープダイヤモンドのホウ素濃度を測定したところ、実施例２においては、ホウ素濃度が３×１０^２１ｃｍ^－３程度、実施例３においては、ホウ素濃度が４×１０^２０ｃｍ^－３程度、実施例４においては、ホウ素濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３程度であった。

上記ホウ素濃度は、以下のようにして算出した。まず、非特許文献２の図３において、プロットに基づいて近似線を引いた（図９参照）。また、成膜したホウ素ドープダイヤモンドの室温（２５℃）での電気抵抗率を測定した。具体的には、成膜したホウ素ドープダイヤモンドに銀ペーストを用いて金線を取り付け、測定装置に結線し、各温度での電気抵抗率を測定した。電気抵抗率の測定および温度制御にはＰＰＭＳ装置（カンタムデザイン社製）を用いた。その後、図９において、測定した電気抵抗率と上記近似線と交差する箇所を見付け、この交差した箇所のホウ素濃度が、成膜したホウ素ドープダイヤモンドのホウ素濃度とした。

また、実施例２～４に係るダイヤモンド量子センサーにおいて、温度を変化させたときの各温度における電気抵抗率を測定したところ、図１０に示される結果が得られた。電気抵抗率の測定および温度制御にはＰＰＭＳ装置（カンタムデザイン社製）を用いた。

図１０の実施例２、３の結果から、ホウ素濃度が３×１０^２０ｃｍ^－３程度以上のホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗率は、室温から極低温にわたってほとんど変化しないことが分かる。すなわち、実施例２、３に係るダイヤモンド量子センサーにおいては、温度の変化に対して安定的にマイクロ波を伝搬することが可能となっているので、広い温度範囲でマイクロ波を伝搬することが可能である。一方で、図１０の実施例４の結果から、ホウ素濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３程度のホウ素ドープダイヤモンドの電気抵抗率は、温度の低下と共に指数関数的に上昇していることが分かる。すなわち、実施例４に係るダイヤモンド量子センサーにおいては、高温側のみでマイクロ波の誘導ができる。これらのデータが示すように、広い温度範囲での使用を考慮すると、３×１０^２０ｃｍ^－３程度以上の高濃度にホウ素をドープしたダイヤモンドが好ましいといえる。

＜光検出磁気共鳴測定＞
実施例１に係る長方形状のダイヤモンド量子センサーを用いて、磁気センシング試験を行った。磁気センシング測定装置は、図７と同様の構成とした。具体的には、レーザー光源（Coherent社製「Verdi G5」）から発生した波長５３２ｎｍの緑色レーザー光は、音響光学変調器（ＡＯＭ）（Gooch ＆ Housego社製）で１次光成分のみに変調され、ハーフミラーを通じてガリレイ式ビームエキスパンダ（ＧＢＥ）（Thorlab社製）に導かれ、所望のビーム径に調整された。緑色レーザー光はダイクロイックミラーと対物レンズを通じてＮＶセンター含有ダイヤモンドに照射された。緑色レーザー光によって励起されたＮＶセンター由来の赤色光のみが、ダイクロイックミラーによって反射され、ローパスフィルターを通じてＣＣＤカメラで検出された。これと同時に、マイクロ波発生源（Keysight社製）によって発生させたマイクロ波の信号を増幅器で増幅し、実施例１に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素ドープダイヤモンドにマイクロ波を伝送した。

上記測定装置を用いて、ＮＶセンターによる最も一般的なセンシング法である光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）測定を実施した。その結果を図１１に示す。緑色レーザー光をＮＶセンターに照射しながら、マイクロ波の周波数を２．８７ＧＨｚ周辺で掃引すると、発光強度が減少するディップが見られた。この時の周波数が磁気共鳴周波数である。上記したようにＮＶセンターに印加される磁場がゼロのとき、ディップは単一となるが、図１１に示したようにＯＤＭＲの結果からは、地磁気の影響を受けてディップが分裂する様子が明瞭に見られた。従って、実施例５の測定装置により、ホウ素ドープダイヤモンドを用いてＮＶセンターによる磁場センシングが可能であることが確認された。

＜Ｒａｂｉ振動数測定（１）＞
実施例２に係る環状部および端子部を備えるダイヤモンド量子センサーを用いて、Ｒａｂｉ振動測定試験を行った。Ｒａｂｉ振動測定装置１３０は、図１２に示される構成とした。まず、図１２に示されるレーザー光源（CNI laser社製「MGL-III-532-200mW」、「PSU-III-FDA」）１３１から発生した波長５３２ｎｍの緑色パルスレーザー光は、ミラー１３２を介して１／４波長板１３３とｐ偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３４、レンズ１３５を通過した後、音響光学変調器（ＡＯＭ）１３６で１次光成分のみに変調された。１次成分のみに変調された緑色レーザー光は、アイリス１３７、レンズ１３８、λ／２板１３９を通過して、ミラー１４０で反射され、再びＡＯＭ１３６を通過した後、ミラー１４１、１４２で反射され、光ファイバー１４３に導入された。そして、光ファイバー１４３から取り出された緑色パルスレーザー光は、ローパスフィルタ１４４を通過し、ミラー１４５で反射された後、λ／２板１４６、λ／４板１４７、ｐ偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）１４８、λ／４板１４９、ミラー１５０を経由してダイクロイックミラー１５１と対物レンズ１５２を通じて実施例２に係るＮＶセンター含有ダイヤモンドＳの環状部の内側の領域に照射された。緑色パルスレーザー光によって励起されたＮＶセンター由来の赤色光のみが、ダイクロイックミラー１５１によって反射され、２枚のローパスフィルター１５３、１５４とミラー１５５、レンズ１５６、１５８、１５９およびピンホール１５７の共焦点系を経由した後にアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ、Excelitas Technologies社製「SPCM-780-33-BR1」）１６０で検出された。これと同時に、マイクロ波発生源（Tektronics社製「AWG 70002A」およびRohde＆Schwarz社製「SMW200A」）１６１によって発生させたマイクロ波の信号を増幅器１６２で増幅し、実施例２に係るダイヤモンド量子センサーのホウ素ドープダイヤモンドＳにマイクロ波を伝送した。

上記Ｒａｂｉ振動測定装置を用いて、実施例２に係るダイヤモンド量子センサーの環状部の内側の領域において、Ｒａｂｉ振動数測定試験を行った。ここで、図１３に示されるように実施例２に係るダイヤモンド量子センサーの環状部の内側の領域を１０×１０に分割し、左上を１番目とし、右方向および下方向に進むにつれて番号が大きくなるように番号を振り、それぞれの位置でＲａｂｉ振動数を測定したところ、環状部の周縁部付近である４番目の位置で最もラビ振動数が大きく、２１．８ＭＨｚであり、環状部の中心部付近である５５番目の位置で最もＲａｂｉ振動数が小さく、７．４８ＭＨｚであった。したがって、環状部の周縁部付近は、環状部の中心部付近よりも約３倍程度速いＲａｂｉ振動数が観測され、実施例２に係るダイヤモンド量子センサーを用いて量子操作が可能であることが確認された。また、環状部の中心から周縁部にかけて、印加される磁場の強度やその勾配の位置による差異を確認できた。なお、図１３は、図１４Ａおよび図１４Ｂ等のＲａｂｉ振動数の測定結果を基づいて作成したものであり、また図１３中の白色の箇所は、赤色光は観察できたが、ノイズ等の影響からＲａｂｉ振動数を算出できなかった箇所である。

＜Ｒａｂｉ振動数測定（２）＞
実施例２～４に係るホウ素濃度が異なる環状部および端子部を備えるダイヤモンド量子センサーを用いて、それぞれのＲａｂｉ振動数測定試験を行った。Ｒａｂｉ振動測定装置としては、上記Ｒａｂｉ振動数測定（１）で用いたＲａｂｉ振動測定装置１３０を用いた。測定位置は、いずれもダイヤモンド量子センサーの環状部の中心部とした。

結果を図１５に示す。図１５からダイヤモンド量子センサーのホウ素濃度が高いほど、高いＲａｂｉ振動数が測定された。

１０、２０、８０…ダイヤモンド量子センサー
１１…ＮＶセンター含有ダイヤモンド
１２、３０…不純物ドープダイヤモンド
３１…環状部
３１Ａ…切欠き部
３１Ｂ…端部
３２…端子部
４０、７０…ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー
５０…ダイヤモンド圧子
６０…ガスケット
９０…測定装置

Claims (7)

1. 窒素－空孔中心を含む窒素－空孔中心含有ダイヤモンドと、
   前記窒素－空孔中心にマイクロ波を誘導するためのマイクロ波誘導路として機能する不純物ドープダイヤモンドと、を備え、
   前記不純物ドープダイヤモンドが、導電性を有し、かつ前記窒素－空孔中心含有ダイヤモンドと化学的に結合されている、ダイヤモンド量子センサー。
2. 前記不純物ドープダイヤモンド中の不純物が、ホウ素である、請求項１に記載のダイヤモンド量子センサー。
3. 前記不純物ドープダイヤモンド中の前記ホウ素の濃度が、１×１０^２０ｃｍ^－３以上である、請求項２に記載のダイヤモンド量子センサー。
4. 前記不純物ドープダイヤモンドは、切欠き部および前記切欠き部によって離間した２つの端部を有する環状部と、前記環状部の各前記端部から一続きに延びる端子部とを備えている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサー。
5. 前記環状部が、円環状である、請求項４に記載のダイヤモンド量子センサー。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサーと、
   前記不純物ドープダイヤモンドの表面側に配置され、かつ前記ダイヤモンド量子センサーとの間で被測定試料を挟持するダイヤモンド圧子と、
   を備える、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサー。
7. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のダイヤモンド量子センサーまたは請求項６に記載のダイヤモンドアンビルセル型量子センサーと、
   前記窒素－空孔中心に前記窒素－空孔中心が励起する緑色レーザー光を照射する緑色レーザー光照射系と、
   前記不純物ドープダイヤモンドにマイクロ波を導入するマイクロ波導入系と、
   前記窒素－空孔中心から発せられる赤色光を検出する検出系と、
   を備える、測定装置。
   
   

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