JP5657836B2 - ダイヤモンドセンサ、検出器及び量子装置 - Google Patents

Description

本発明は、検知、検出及び量子処理用途に用いられる合成ダイヤモンド材料に関する。

合成ダイヤモンド材料中の点欠陥、特に量子スピン欠陥及び／又は光学的活性欠陥は、種々の検知、検出及び量子処理用途に用いられることが提案されており、かかる用途としては、磁力計、スピン共鳴装置、例えば核磁気共鳴（ＮＭＲ）及び電子スピン共鳴（ＥＳＲ）装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用のスピン共鳴イメージング装置及び例えば量子コンピューティング用の量子情報処理装置が挙げられる。

多くの点欠陥は、合成ダイヤモンド材料において研究されており、かかる点欠陥としては、珪素含有欠陥、例えば珪素空孔欠陥（Ｓｉ‐Ｖ）、珪素複空格子点欠陥（Ｓｉ‐Ｖ₂）、珪素空孔水素欠陥（Ｓｉ‐Ｖ：Ｈ）、珪素複空格子点水素欠陥（Ｓｉ‐Ｖ₂：Ｈ）、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥及び窒素含有欠陥、例えば窒素空孔欠陥（Ｎ‐Ｖ）、二窒素空孔欠陥（Ｎ‐Ｖ‐Ｎ）及び窒素空孔水素欠陥（Ｎ‐Ｖ‐Ｈ）が挙げられる。これら欠陥は、典型的には、中性電荷状態又は負電荷状態で見受けられる。注目されるように、これら点欠陥は、２つ以上の結晶格子点にわたって延びる。本明細書で用いられる点欠陥という用語は、かかる欠陥を含むが、これらよりも大きなクラスタ欠陥、例えば１０個又はそれ以上の格子欠陥にわたって延びるクラスタ欠陥又は拡張欠陥、例えば多くの格子点にわたって延びる場合のある転位を含まないようになっている。

合成ダイヤモンド材料中の或る特定の欠陥が検知、検出及び量子処理用途に特に有用であることが判明した。例えば、合成ダイヤモンド材料中の負に帯電した窒素空孔欠陥（ＮＶ^-）は、有用な量子スピン欠陥として多大な興味を引き付けている。というのは、かかる欠陥は、幾つかの望ましい特徴を有するからであり、かかる特徴としては、
（ｉ）コヒーレンス時間が極めて長いことによりそのスピン状態を高い中実度でコヒーレント的に操作できる（これは、横緩和時間Ｔ２を用いて定量化できると共に比較できる）。
（ｉｉ）その電子構造体により、欠陥を光学的に電子基底状態に光学的にポンピングすることができ、それによりかかる欠陥を非極低温であっても特定の電子スピン状態に置くことができる。これは、小型化が望ましい或る特定の用途について高価且つ嵩張った極低温冷却装置の必要性をなくすことができる。さらに、欠陥は、全てが同一のスピン状態を有するフォトンの源として機能することができる。
（ｉｉｉ）その電子構造体は、欠陥の電子スピン状態をフォトンを介して読み取ることができる発光性及び非発光性電子スピン状態を有する。これは、検知用途、例えば磁力計、スピン共鳴分光及びイメージングに用いられる合成ダイヤモンド材料から情報を読み取る上で好都合である。さらに、これは、長距離量子通信及びスケール変更可能な量子コンピュータ計算のための量子ビット又はキュービット（qubit）としてＮＶ^-欠陥を用いる方向に向かう重要な要素である。かかる結果として、ＮＶ^-欠陥は、ソリッドステート量子情報処理（ＱＩＰ）に関する競合的候補になっている。

ダイヤモンド中のＮＶ^-欠陥は、図１ａに示されているように炭素空孔に隣接して位置する置換窒素原子から成る。その２つの不対電子は、電子基底状態のスピントリプレット（³Ａ）を形成し、縮退度ｍ_s＝±１副準位は、２．８７ＧＨｚだけｍ_s＝０準位から隔てられている。ＮＶ^-欠陥の電子構造がスタイナート等（Steinert et al.），「ハイ・センシティビティ・マグネチック・イメージング・ユージング・アン・アレイ・オブ・スピンズ・イン・ダイヤモンド（High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond）」，０４３７０５，レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）８１，２０１０年（以下、「スタイナート等」という場合がある）に記載された図１ｂに示されている。ｍ_s＝０副準位は、光学的にポンピングされたときに高い蛍光レートを示す。これとは対照的に、欠陥がｍ_s＝±１準位で励起されると、この欠陥は、非発光一重項状態（¹Ａ）にクロスオーバし、その後ｍ_s＝０に緩和する高い確率を示す。その結果、スピン状態を光学的に読み取ることができ、ｍ_s＝０状態は、「明るい（bright）」状態であり、ｍ_s＝±１状態は、「暗い」（dark）」状態である。外部磁界（磁場という場合がある）を加えると、スピン副準位ｍ_s＝±１の縮退がゼーマン分裂により壊される。これにより、共鳴線が加えられる磁界の大きさ及びその方向に応じて分かれる。この依存性は、ベクトル磁気測定法に利用できる。と言うのは、共鳴スピン遷移は、マイクロ波（ＭＷ）周波数をスイープし、その結果、スタイナート等の図２ａに示されているように光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルの固有のディップを生じさせることにより調査できる。

スタイナート等は、イオン打ち込みを採用して負に帯電したＮＶ^-センタの均質層を超高純度［１００］型ＩＩａダイヤモンド中に作った。アンサンブルＮＶ^-センサは、複数の検出スピンからの増幅蛍光信号に起因して高い磁気感度を提供することが分かった。別のオプションは、ベクトル再構成である。と言うのは、ダイヤモンド格子は、スタイナート等の図２ｂに示されているように別々の四面体ＮＶ^-方位を課すからである。これら軸の各々に沿う磁界投影像を単一複合スペクトルとして測定することができ、数値アルゴリズムを用いると、全磁界ベクトルを再構成することができる。外部磁界の大きさ（Ｂ）及び包囲（θＢ，ψＢ）は、非制約最小二乗アルゴリズムに基づいてＯＤＭＲスペクトルを分析することによって計算できる。

量子用途に適した材料を製造する上での大きな問題の１つは、量子ビットがデコヒーレンスするのを阻止することであり又は少なくとも、システムがデコヒーレンスするのに要する時間を長くすることである（即ち、「デコヒーレンス時間を長くする」）。長いＴ２時間は、例えば量子コンピュータ計算のような用途において望ましい。というのは、これにより、アレイ状に配置された量子ゲートの動作の時間を長くすることができ、かくして、複雑な量子コンピュータ計算を実施することができるからである。長いＴ₂時間も又、検知用途における電気及び磁気環境中の変化に対する感度を向上させるのに望ましい。

ケネディ等（Kennedy et al.）は、合成ＣＶＤ（化学蒸着）ダイヤモンド材料中のＮＶ^-のデコヒーレンス時間が合成ＨＰＨＴ（高圧高温）ダイヤモンド材料中のＮＶ^-欠陥の場合よりも長く、しかも合成ＣＶＤダイヤモンド材料中の低窒素濃度が長いデコヒーレンス時間を達成する際の要因であることを開示した（これについては、例えば、「フィジカ・ステータス・ソリディ（ｂ）（Phys. Stat. Sol.（b））」，２００２年，第２３３巻，第３号，ｐ．４１６‐４２６及び「アプライド・フィジックス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）」，２００３年，第８３巻，第２０号，ｐ．４１９０‐４１９２を参照されたい）。ケネディ等は、３０ｐｐｂの単一置換窒素濃度を有するＣＶＤダイヤモンド材料について室温（３００Ｋ）で５８μｓのＮＶ^-欠陥デコヒーレンス時間を開示している。

その後、種々の製造技術の注意深い使用及び制御により、スカースブルック等（Scarsbrook et al.）は、６００μｓを超えるデコヒーレンス時間を有するＮＶ^-欠陥を備えた単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を作製した（これについては、例えば、国際公開第２０１０／０１０１３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットを参照されたい）。

国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレットは、高い化学的純度、即ち、低い窒素含有量を有する単結晶ダイヤモンド材料を用いると、量子スピン欠陥を有するソリッドステートシステムを形成することができるということを開示しており、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、結晶欠陥の存在を最小限に抑えるために処理される。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温において長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みを行うために用いられる光学遷移の温度及び頻度は安定している。

国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレットは、化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いてダイヤモンド材料を調製する条件を注意深く制御することによって、極めて高い化学的純度を極めて高い同位体純度と合わせ持つダイヤモンド材料を提供することが可能であることを開示している。ＣＶＤ法を用いる材料の化学的純度と同位体純度の両方を制御することによって、量子スピン欠陥のホストとして用いるのに特に適した合成ダイヤモンド材料を得ることが可能である。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温で長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みに用いられる光学遷移の周波数は、安定性がある。低い窒素濃度及び低い濃度の¹³Ｃを有する合成ダイヤモンド材料の層が開示されている。合成ダイヤモンド材料の層は、極めて低い不純物レベルを有すると共に極めて低い関連点欠陥を有する。加うるに、合成ダイヤモンド材料の層は、低い転位密度、低い歪並びにかかる合成ダイヤモンド材料の光吸収が本質的に、完全なダイヤモンド格子の光吸収である成長温度と関連した熱力学的値に十分に近い空孔及び自己格子間濃度を有する。上述のことに照らして、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットが高品質「量子等級」単結晶ダイヤモンド材料を製造する方法を開示していることは明らかである。「量子等級」ダイヤモンドという用語は、本明細書では、ダイヤモンド材料の量子スピン特性を利用する用途に用いるのに適したダイヤモンド材料について用いられている。具体的に説明すると、量子等級ダイヤモンド材料の高い純度により、当業者に知られている光学技術を用いて単一欠陥中心を隔離することが可能である。

国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット 国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレット

スタイナート等（Steinert et al.），「ハイ・センシティビティ・マグネチック・イメージング・ユージング・アン・アレイ・オブ・スピンズ・イン・ダイヤモンド（High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond）」，０４３７０５，レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）８１，２０１０年 ケネディ等（Kennedy et al.），「フィジカ・ステータス・ソリディ（ｂ）（Phys. Stat. Sol.（b））」，２００２年，第２３３巻，第３号，ｐ．４１６‐４２６ ケネディ等（Kennedy et al.），「アプライド・フィジックス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）」，２００３年，第８３巻，第２０号，ｐ．４１９０‐４１９２

１つの問題は、かかる材料の欠陥からの単一格子放出が非常に弱い場合があるということである。例えば、ダイヤモンドのＮＶ^-欠陥は、低い温度であっても０．０５オーダのデバイ‐ウォーラー因子と関連した広域スペクトル放出を示す。この場合、ゼロフォノンライン（Zero-Phonon Line：ＺＰＬ）の単一格子の放出は、極めて弱く、典型的には、毎秒数千フォトンのオーダのものである。かかる計数率は、妥当なデータ収集時間内でのスピン状態と光学遷移との間の結合に基づいて新型ＱＩＰプロトコルの実現にとっては不十分な恐れがある。

弱い発光の問題は、量子スピン欠陥の数を増大させて多くの発光化学種が材料中に存在するようにすることによって或る程度まで軽減できる。例えば、ダイヤモンド材料中の窒素の濃度を増大させることによりＮＶ^-欠陥の数を増加させることができる。合成ＣＶＤダイヤモンド材料を１０ｐｐｍを超える窒素で成長させることができる。しかしながら、ＣＶＤ成長プロセスにおいて高い濃度で窒素が存在すると、その結果として、典型的には、（ｉ）ＮＶ^-欠陥の励起効率及びこれからの光収集に悪影響を及ぼすダイヤモンド吸収の増大をもたらすと共に（ｉｉ）他の欠陥に関連付けられたデコヒーレンスメカニズムに起因してデコヒーレンス時間の減少をもたらす他の欠陥が生じる。他の欠陥を適当な高温アニーリング技術の利用により減少させることができるが、幾つかの用途では、これは、残留黒鉛化及び他の潜在的な面倒な問題により望ましくない。

上述のことに照らして、最も長いデコヒーレンス時間が欠陥の極めて少ない合成ＣＶＤダイヤモンド材料について報告されたが、これら合成ＣＶＤダイヤモンド材料が提供する感度は、ＮＶ^-欠陥濃度の減少により損なわれる。さらに、打ち込みによりＮＶ^-欠陥濃度を増大させる方法は、打ち込みによる損傷に起因して生じる残留スピン欠陥によって価値を制限した。

本発明の或る特定の実施形態の目的は、上述の問題のうちの１つ又は２つ以上を少なくとも部分的に解決することにある。

上述の内容と関連して、米国特許出願公開第２００６／０２３４４１９号明細書及び米国特許第６５８２５１３号明細書は、純度及び厚さが制御された層の状態でＣＶＤダイヤモンドを成長させることができるということを開示している。さらに、ダイヤモンド膜中の窒素原子の数は、濃度及び厚さの関数であるので、ＮＶ^-欠陥を他の欠陥から隔離することができるということが開示されている。換言すると、ＣＶＤ成長ダイヤモンドの所与の体積中に形成されるＮＶ欠陥の既知の濃度が与えられると、ダイヤモンド層を極めて薄く作製することにより、形成されるＮＶ欠陥が極めて少なくなり、かくしてかかる欠陥が互いに隔離されるようになる。国際公開第２００７／００９０３７号パンフレットも又、ＮＶ欠陥の隔離が厚さ及び窒素含有量の関数であり、ＣＶＤダイヤモンド材料の薄い層を隔離されたＮＶ欠陥を提供することができるということを開示している。打ち込み・リリースがＣＶＤダイヤモンド材料の薄い成長したばかりの層をＣＶＤダイヤモンド材料を成長させる基板から分離する手段として開示されている。成長したばかりのＣＶＤダイヤモンド材料の薄膜を基板から分離するかかる打ち込み・リリースメカニズムも又、米国特許出願公開第２００５／０１８１２１０号明細書に開示されている。

本発明者は、合成ＣＶＤダイヤモンド材料の光学的性質及び量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間に悪影響を及ぼさないで高濃度の量子スピン欠陥を合成ＣＶＤダイヤモンド材料中に導入することが問題であることを認識した。さらに、本発明者は、合成ＨＰＨＴダイヤモンド材料のバルクサンプルが非常に高いので個々の欠陥を光学的に隔離することができない濃度の量子スピン欠陥、例えばＮＶ^-欠陥を有し、しかも量子スピン欠陥の数が多いためにデコヒーレンス時間が短縮されることを認識した。本発明者は、比較的高い濃度の量子スピン欠陥を有する合成ダイヤモンド材料がかかる材料の極めて薄い層を形成するよう加工された場合、個々の量子スピン欠陥を光学的に隔離することが可能であることを見出した。さらに、材料をこれが極めて薄くなるよう加工することによって、合成ダイヤモンド材料内の光吸収度をかくして減少させ、それにより量子スピン欠陥の励起効率及びこれからの光吸収が増大する。このように、従来量子スピン用途に適していなかった合成ダイヤモンド材料をかかる用途に適した形態に加工することができる。例えば、合成ダイヤモンド材料の窒素濃度と膜厚さの釣り合いを取ることができ、その結果、量子スピン欠陥が光学的に隔離され、そして励起及び光収集の面で良好な光学的効率を有するようになる。これは、材料の厚い層が非常に高いので個々の量子スピン欠陥を光学的に隔離することができない欠陥濃度を有する合成ＨＰＨＴダイヤモンド材料について特に有用であると言える。

幾つかの点において、量子スピン欠陥濃度と膜厚さのこの釣り合わせは、先行技術の特許文献、例えば米国特許出願公開第２００６／０２３４４１９号明細書及び国際公開第２００７／００９０３７号パンフレットに記載された釣り合わせとほぼ同じである。しかしながら、この量子スピン欠陥濃度と膜厚さをこのように釣り合わせた場合に結果として光学的に隔離された量子スピン欠陥が生じる場合があるが、隔離された量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間Ｔ₂は、多くの検知及び量子処理用途について依然として低すぎることが判明した。

量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を増大させる一手法は、合成ダイヤモンド材料中の他の点欠陥の濃度が結果的に量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間の減少をもたらすダイポール結合及び／又は歪を回避するほど低いようにすることにある。しかしながら、材料の薄板の場合、これは、極めて高いデコヒーレンス時間を達成する上で依然として不十分であることが判明した。

量子スピン欠陥自体の濃度を減少させることにより、個々の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を増大させることができる。しかしながら、これは、個々の量子スピン欠陥の各々の感度を高めるが、量子スピン欠陥の数の減少により材料の全体的感度が低下する。多くの量子検知用途について重要であると考えられることが、量子スピン欠陥濃度と量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間Ｔ₂の積である。好ましくは、この積は、少なくとも０．１ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも３０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０００ｐｐｍ・μｓ又は少なくとも５０００ｐｐｍ・μｓであるべきである。この積の最大値は、１００００ｐｐｍ・μｓ未満であると考えられる。

材料の薄板について上述した量子スピン欠陥の濃度及び他の点欠陥の濃度を制御することによって量子スピン欠陥濃度と量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間Ｔ₂の積に関する値の向上を達成することができるが、表面末端基が近くの量子スピン欠陥と不利益に相互作用する場合があり、かくしてＴ₂を減少させて積の値を減少させることも又判明している。これは、多数の量子スピン欠陥が材料の表面の比較的近くに位置した大きな表面積と体積の比を有するダイヤモンド材料の薄板について特に問題である。したがって、量子スピン欠陥濃度と量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間Ｔ₂の積を増大させるため、ダイヤモンド材料の薄板の表面末端を制御することも又必要であると考えられる。特に、ダイヤモンド材料の薄板を処理してゼロ核スピン又はゼロ電子スピンを有し、好ましくはゼロ核スピンとゼロ電子スピンの両方を有する表面末端化学種を提供することが有利であると考えられる。かかる化学種の一例は、¹⁶Ｏである。

上述のことに照らして、本発明者は、高い量子検知能力を備えたダイヤモンド材料の板の実現を達成するためには、４つの互いに異なるパラメータ、即ち、（ｉ）制御された板厚さ、（ｉｉ）制御された量子スピン欠陥濃度、（ｉｉｉ）制御された他の点欠陥の濃度及び（ｉｖ）制御された表面末端の組み合わせが必要であると考えている。

したがって、本発明の第１の観点によれば、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄い板であって、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、
１００ｎｍ〜５０μｍの厚さと、
０．１ｐｐｂ（十億部あたりの部）を超える量子スピン欠陥濃度と、
２００ｐｐｍ（百万部当たりの部）未満の量子スピン欠陥以外の点欠陥濃度とを有し、
合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の少なくとも１つの主要フェースは、ゼロ核スピン及び／又はゼロ電子スピンを有する表面末端化学種を含むことを特徴とする合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板が提供される。

本発明の第２の観点によれば、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を製造する方法であって、
０．１ｐｐｂ（十億部あたりの部）を超える量子スピン欠陥濃度及び２００ｐｐｍ（百万部当たりの部）未満の量子スピン欠陥以外の点欠陥濃度を有する合成単結晶ダイヤモンド材料を用意するステップと、
合成単結晶ダイヤモンド材料を加工して厚さが１００ｎｍ〜５０μｍの薄板を形成するステップと、
合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を処理して合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の少なくとも１つの主要フェースがゼロ核スピン及び／又はゼロ電子スピンを有する表面末端化学種を含むようにするステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。

本発明の第３の観点によれば、検知、検出又は量子スピン装置に用いられる合成ダイヤモンド装置コンポーネントであって、上述の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を有する装置コンポーネントが提供される。

本発明の第４の観点によれば、上述した装置コンポーネントを有する装置が提供される。この装置は、単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を光学的にポンピングする光源を含むのが良い。

次に、本発明の良好な理解を得ると共に本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、これは例示に過ぎない。

ＮＶ^-欠陥の原子構造を示す図である。 ＮＶ^-欠陥の電子構造を示す図である。 変化するマイクロ波周波数により操作される複数のＮＶ^-欠陥から得られた固有蛍光スペクトルを示す図である。 ダイヤモンド結晶中の４本の結晶ＮＶ^-軸の方位を示す図である。 本発明の実施形態としての合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を作製する方法を示す図である。 本発明の実施形態としての合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を作製する方法を詳細に示す図である。 本発明の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。 本発明の別の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。 本発明の別の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。 本発明の別の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。 本発明の別の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。 本発明の実施形態としてのダイヤモンド量子装置に用いられる層状合成単結晶ダイヤモンド材料を有するマイクロフルイディックセルの略図である。 例えば図１０に示されているマイクロフルイディックセルに用いられるスピン共鳴装置の略図である。 比較的高い濃度のＮＶ中心を有する合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドからの室温ＰＬ画像及びスペクトルを示す図である。 ＮＶ^-及びＮＶ⁰の両方からの発光が観察されている状態の合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドからの低温（７７Ｋ）スペクトルを示す図である。 合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドの白色光反射スペクトル、即ち、（ａ）白色光源の測定強度スペクトル、（ｂ）合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドに関する計算された反射スペクトル、（ｃ）合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドについてモデル化された反射スペクトル、（ｄ）合成ＨＰＨＴ薄膜ダイヤモンドからの測定された反射スペクトルを示す図である。

図３は、本発明の実施形態としての合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を作製する基本的な方法を示す図である。合成単結晶ダイヤモンド材料２のバルクサンプルが図３（ａ）に示されるように提供されている。合成単結晶ダイヤモンド材料２のバルクサンプルは、複数個の量子スピン欠陥４、例えばＮＶ^-欠陥及び複数個の他の点欠陥６、例えば単一置換窒素欠陥を有する。欠陥の濃度は、比較的高く、その結果、量子スピン欠陥を光学的に隔離することができない。例えば、この材料は、合成ＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド材料又は合成ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料であるのが良い。

この場合、バルクサンプル２を加工して図３（ｂ）に示されているように合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板８を形成する。薄板８は、量子スピン欠陥４を光学的に隔離することができるよう十分に薄く作られる。さらに、薄板は、材料の薄板を横切る光吸収度を減少させるよう十分に薄く作られ、かくして、量子スピン欠陥の励起効率及びこれからの光収集度が増大している。

最後に、薄板は、図３（ｃ）に示されているようにゼロスピン表面末端９を形成するよう処理されている。典型的には、成長したばかりのＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、核スピン及び電子スピンを備えた水素を末端基とする表面を有する。したがって、この材料は、表面末端を変更するよう処理されなければならない。例えば、ダイヤモンドを３０分間かけてＫＮＯ₃で飽和させた濃縮１２Ｍ・Ｈ₂ＳＯ₄中で煮沸することによって酸素を末端基とするダイヤモンド表面を達成することができる。

このように、量子スピン用途には適していないバルクサンプル２をかかる用途に適した薄板形態８に加工することができる。

打ち込み・リフトオフ技術、研削、研磨及びエッチングのうちの１つ又は２つ以上を含む種々の技術を用いて合成単結晶ダイヤモンド材料を薄板の形態に加工するのが良い。図４は、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を作製する打ち込み・リフトオフ技術を示している。合成単結晶ＨＰＨＴダイヤモンド材料のバルクサンプル１０が図４（ａ）に示されているように提供される。合成単結晶ＨＰＨＴダイヤモンド材料のバルクサンプル１０は、図３を参照して上述したように複数個の量子スピン欠陥１４及び複数個の他の点欠陥１２を含む。次に、イオン打ち込みを図４（ｂ）に示されているように行って合成単結晶ダイヤモンド材料の薄い層１８を構成する打ち込み層１６を形成し、次に、この打ち込み層１６を図４（ｃ）に示されているようにバルクサンプルから除去するのが良い。アニーリングを用いて加工技術により生じた結晶学的損傷を除去すると共に／或いは打ち込み層１６の処理を助けてリフトオフを実施するのが良い。最後に、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板１８を処理して図４（ｄ）に示されているようにゼロスピン表面末端１９を生じさせる。

注目できるように、図４に示された打ち込み・リリースプロセスの結果として、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板が得られ、この薄板は、全体が本明細書で説明する合成単結晶ダイヤモンド材料で作られる。これは、先行技術の特許文献、例えば米国特許出願公開第２００６／０２３４４１９号明細書、国際公開第２００７／００９０３７号パンフレット及び米国特許出願公開第２００５／０１８１２１０号明細書に記載されている打ち込み・リリースプロセスとは異なっている。これら特許文献は、基板がこれに打ち込まれたリリース層を備え、ＣＶＤダイヤモンドを制御された窒素濃度で基板上に標的厚さまで成長させ、次にＣＶＤダイヤモンド層を基板中の打ち込みリリース層によりリリースするＣＶＤ成長プロセスを記載している。基板打ち込み・リリースにより、必然的に、基板材料の薄い層が過剰に成長したＣＶＤダイヤモンド材料にくっつく。したがって、これら先行技術の方法は、本明細書で説明するように全体が合成単結晶ダイヤモンド材料で作られた合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を得る道筋を開示しているようには思われない。さらに、先行技術の方法は、制御された欠陥ダイヤモンド材料の標的厚さまでの成長を必要とし、各薄板を別々の成長プロセスで成長させてリリースしなければならない。これは、ダイヤモンド材料の厚い一片１０で始まって、これを次に加工して薄板１８を除去する図４に示されている方法とは対照的である。この方法の利点は、複数個の実質的に同一の薄板１８をダイヤモンド材料の単一片１０から作製するようこの方法を繰り返し実施することができ、この場合、多数の成長ランを必要としないということにある。

欠陥濃度と板厚さを釣り合わせて量子スピン欠陥が光学的に隔離され、そして比較的良好なデコヒーレンス時間を有し且つ励起及び光収集の観点で良好な光学的効率を有するようにする。例えば、薄板は、１００ｎｍ〜５０μｍ、５００ｎｍ〜３０μｍ、１μｍ〜２０μｍ又は５μｍ〜１０μｍの厚さを有するのが良い。量子スピン欠陥の濃度は、０．１ｐｐｂ以上、１０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、１ｐｐｍ以上、５ｐｐｍ以上、１０ｐｐｍ以上又は３０ｐｐｍ以上であるのが良い。量子スピン欠陥濃度は、２００ｐｐｍ以下、１５０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下又は５０ｐｐｍ以下であるのが良い。上述の濃度下限及び濃度上限を任意の仕方で組み合わせることができる。例えば、量子スピン欠陥の濃度は、０．１ｐｐｂ〜２００ｐｐｍ、１０ｐｐｂ〜１５０ｐｐｍ、１００ｐｐｂ〜１００ｐｐｍ、１ｐｐｍ〜５０ｐｐｍ又は５ｐｐｍ〜５０ｐｐｍであるのが良い。このように、欠陥濃度及び板厚さを制御して５３２ｎｍの周波数での光吸収度が低いようにするのが良い。或る特定の構成例では、上述の範囲の高い方の端寄りの板厚さを選択した場合、上述の範囲の下の端寄りの濃度値を選択してこれらのパラメータを釣り合わせるのが良い。量子スピン欠陥以外の点欠陥の濃度は、１５０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、２０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下又は５ｐｐｍ以下であるのが良い。或る特定の構成例では、かかる点欠陥の濃度は、できるだけ低いのが良い。しかしながら、実際には、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板中に或る程度のレベルのかかる点欠陥が常時存在しがちである。したがって、これら点欠陥の濃度は、０．１ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上又は１０ｐｐｂ以上である場合が多いであろう。或る特定の用途では、これら他の点欠陥は、例えば、量子情報処理用途中の量子スピン欠陥を互いに関連付けるチェーンを形成するために望ましい場合がある。

量子スピン欠陥の密度も又、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板に垂直な方向から見て投影平面密度として定められる場合がある。例えば、量子スピン欠陥を平面上に投影させると、量子スピン欠陥相互間の平均投影平面距離は、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、５μｍ以上、８μｍ以上、１０μｍ以上、２０μｍ以上又は５０μｍ以上であるのが良い。

上述したことに加えて、合成ダイヤモンド材料を同位体的に精製してこの合成ダイヤモンド材料中に設けられた量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を増大させるのが良い。例えば、合成ダイヤモンド材料は、０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の¹³Ｃの全濃度を有するのが良い。

量子スピン欠陥は、珪素含有欠陥、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥及び窒素含有欠陥のうちの１つ又は２つ以上を含む場合がある。好ましい実施形態は、背景技術の項で説明したこの欠陥の有利な特性に鑑みて窒素含有ＮＶ^-欠陥を利用することが想定されるが、本発明の或る特定の実施形態は、検知、検出及び量子処理用途に適した他形式の負に帯電した欠陥に利用できることも又想定される。

照射及びアニーリングによって不純物空孔量子スピン欠陥を形成することができる。アニーリングは、照射中又は照射後に実施されるのが良い。アニーリングでは、ダイヤモンド材料を６００℃以上、７００℃以上、８００℃以上、９００℃以上、１０００℃以上又は１２００℃以上の温度まで加熱する。変形例として、不純物空孔量子スピン欠陥を成長後処理、例えば照射及びアニーリングを用いるのではなくダイヤモンド材料の成長中に形成しても良い。

例えば、全窒素濃度は、１０ｐｐｍ以上、２０ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以上、１００ｐｐｍ以上、１５０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以上、２５０ｐｐｍ以上、３００ｐｐｍ以上、４００ｐｐｍ以上又は６００ｐｐｍ以上であるのが良く、この場合、全ての非窒素点欠陥の濃度は、これらのレベルの１／１０以下、１／１００以下又は１／１０００以下である。かかる材料は、０．１ｐｐｍ以上、１ｐｐｍ以上、５ｐｐｍ以上、１０ｐｐｍ以上、２５ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以上、１００ｐｐｍ以上又は２００ｐｐｍ以上のＮＶ^-欠陥濃度を含む合成ダイヤモンド材料を生じさせる道筋を提供する（照射及びアニーリング又はその他の方法を介して）。

合成ダイヤモンド材料中の点欠陥の濃度を制御することに加えて、拡張を結晶学的欠陥、例えば転位欠陥の濃度が薄板の光学的性質を向上させる（例えば、複屈折を減少させる）と共に量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を減少させることができる薄板中の歪を減少させるよう低いことも又有利である。したがって、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、以下の特性、即ち、
（１）５×１０^-5以下、１×１０^-5以下、５×１０^-6以下又は１×１０^-6以下の前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板に垂直な方向における複屈折、
（２）４００／ｃｍ²以下、３００／ｃｍ²以下、２００／ｃｍ²以下又は１００／ｃｍ²以下のＸ線トポグラフィにより特徴付けられた拡張欠陥の密度、
（３）５０秒角以下、２０秒角以下、１０秒角以下、７秒角以下、５秒角以下、３秒角以下、２秒角以下又は１．５秒角以下の（００４）反射に関するＦＷＨＭ（半値全幅）Ｘ線ロッキング曲線幅のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良い。

本明細書で用いられる「拡張欠陥（extended defect(s)）」という用語は、例えば転位又は転位束及び積層欠陥のような欠陥を意味している。

或る特定の構成例では、装置性能は、量子スピン欠陥の励起及び収集効率に起因して制限される場合がある。例えば、当面の欠陥（Ｎ，ＮＶ）の結果として、光励起度の減少が生じ、しかも自己吸収により、収集されたルミネッセンスが制限される。この場合、光学的に薄い大面積板（ＮＶ欠陥の数の増大と一致する）を生じさせることが望ましい場合がある。かかる構成例では、欠陥濃度が、量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間がそのピーク値の状態にないようなものであるのが良くても、量子スピン欠陥の個数及び量子スピン欠陥の光学的効率は、デコヒーレンス時間の減少を補償するようなものである。

或る特定の他の構成例では、デコヒーレンス時間が長いようにした状態で光学技術、例えば共焦点顕微鏡検査法、誘導放出空乏（ＳＴＥＤ）顕微鏡検査法又は蛍光寿命イメージング顕微鏡検査法（ＦＬＩＭ）を用いて個々の量子スピン欠陥を容易に取り扱うことができる層を生じさせるよう低い濃度の欠陥を有することが望ましい場合がある。本質的に、これにより、量子スピン欠陥の側方及び光学的に垂直な間隔に或る特定の制約が課される。板を薄くすることによって、単一量子スピン欠陥をｚ方向に隔離することが可能である。かかる構成例では、量子スピン欠陥は、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上、５ｍｓ以上又は１５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ₂を有し、対応のＴ₂ ^*値は、４００μｓ以下、２００μｓ以下、１５０μｓ以下、１００μｓ以下、７５μｓ以下、５０μｓ以下、２０μｓ以下又は１μｓ以下であるのが良い。さらに、量子スピン欠陥の濃度とデコヒーレンス時間Ｔ₂の積は、好ましくは、少なくとも０．１ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも３０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０００ｐｐｍ・μｓ又は少なくとも５０００ｐｐｍ・μｓである。

単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板の特定の寸法形状は、或る程度まで、装置構成及びその意図した使用に依存することになる。しかしながら、多くの用途に関し、単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板は、感度を向上させるのに足るほどの量子スピン欠陥を含むほど十分大きいことが必要である場合がある一方で、量子スピン欠陥の分布状態は、点欠陥のデコヒーレンス時間を向上させると共に／或いは光学技術を用いて単一欠陥中心を隔離することができるようにするほど十分分散される。板が薄いということは、量子スピン欠陥が全て板の表面の比較的近くに位置し、それにより表面に隣接して位置する磁界又は電界の変化に対する感度を増大させることができるので有利である。

上述した合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、センサ、検出器又は量子処理装置のためのコンポーネントを製作するために使用できる。かかるコンポーネントを形成するため、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を支持基板上に取り付けるのが良い。光学用途の場合、支持基板は、光が量子スピン欠陥の励起のため又はこれから放出された光の収集のために支持基板を通過することができるよう光学的に透明であるのが良い。変形例として、支持基板は、光学的反射構造体を有しても良く、その結果、光学的励起及び検出を合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の同一の側から実施することができ、光が薄板を通過し、次に薄板を通って支持基板中の光学的反射構造体から反射して戻されるようにするようにする。光学的反射構造体は、例えば、ブラッグレフレクタを含むのが良い。

光の取り出しを増加させて合成ダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥からの光収集を増加させるために光取り出し構造体を単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板の表面のところ又はその近くに形成するのが良い。適当な光取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上を含む。光取り出し構造体は、支持基板中に形成されても良い。

また、低い表面粗さＲｑを達成するようダイヤモンドホスト材料の表面を処理することが望ましい。国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されているように、ホスト材料として本発明の合成ダイヤモンド材料を用いて高いＴ２値及び高いスペクトル安定性を得ることができ、この場合、量子スピン欠陥は、かかる処理済み表面から１００μｍの以下の距離を置いたところに位置決めされるべきである。本発明の実施形態によれば、量子スピン欠陥は、好ましくは、かかる処理済み表面から１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ、好ましくは２０μｍ、好ましくは１０μｍ、好ましくは１μｍ、好ましくは５００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ又は好ましくは１０ｎｍの距離のところに位置決めされるべきである。量子スピン欠陥のこの位置決めは、量子スピン欠陥を例えば導波路への光結合によって特徴付けると共に「読み出す」ことができるよう最終用途にとって容易に接近可能であることを意味している。かくして、量子等級単結晶ダイヤモンド中に量子スピン欠陥（単一格子源）を形成することが有利であり、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、中心が量子スピン欠陥の形成される場所の最も近くに位置する表面上の点上に位置する半径が約５μｍの円によって定められる領域内の単結晶ダイヤモンドの表面粗さＲｑが約１０ｎｍ、５ｎｍ、１ｎｍ又は０．５ｎｍ以下であるよう処理される。

また、量子スピン欠陥の近くの表面のところでの低い表面粗さに加えて、表面下損傷が量子スピン欠陥の近くでは少ないようにすることが有用である。表面下損傷を減少させるには、例えば研磨後に且つ表面の処理前にエッチング、例えばプラズマエッチングを行って適当なゼロスピン表面末端を達成するのが良い。

上述した合成ダイヤモンド装置コンポーネントは、ダイヤモンド量子装置を形成するために使用できる。かかる装置の一例が図５に示されている。量子装置５０は、オプションとして基板によって支持された上述の単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板から成るダイヤモンド量子コンポーネント５２を有する。量子装置は、単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を光学的にポンピングする光源５６を更に有する。

光源５６は、図１（ａ）に示されているように量子スピン欠陥を励起させて電子移動を受けるようにするのに適当な周波数まで同調される。欠陥の電子構造体により、欠陥を光学的に電子基底状態に光学的にポンピングすることができ、それによりかかる欠陥を非極低温でなくても特定の電子スピン状態に置くことができる。これは、小型化が望ましい或る特定の用途について高価且つ嵩張った極低温冷却装置の必要性をなくすことができる。それ以上の移動及びその後の崩壊及び蛍光放出の結果として、全てが同一のスピン状態を有するフォトンの放出が生じる。したがって、この装置構成は、全て同一のスピン状態を有するフォトンの源として機能することができ、これは、フォトニクスを利用した別の量子処理用途に有用である。

本明細書において説明している合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を有するコンポーネント及び装置を構成する際、上述の説明から理解されるように、量子スピン欠陥をデコヒーレンス時間を短くする結合相互作用から隔離する相当な利益が生じる。したがって、かかる好ましくない相互作用を減少させるための合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の注意深い設計、作製及び加工に加えて、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を包囲する環境が合成単結晶ダイヤモンド材料の機能的性質に悪影響を及ぼすことがないようにする或る特定のコンポーネント及び装置が構成されるのが良い。したがって、コンポーネント及び装置は、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板が真空中又はスピン活性ではない１種類又は２種類以上の選択されたガスを含む制御されたガス環境中に設けられるようにするよう構成されるのが良い。かかる構成により、薄板の直ぐ周りの環境が量子スピン欠陥に悪影響を及ぼすことがないようにすることができる。かかる構成は、装置が薄板の直ぐ周りを超える外部変化を検出するよう量子スピン欠陥を用いるよう設計される場合に望ましい。変形例として、或る特定の他のコンポーネント及び装置は、特に、薄板の直ぐ周りの環境を検知するよう構成されていても良い。例えば、装置は、薄板に対して検知作業を実施するために材料のサンプルを薄板に隣接して配置するよう構成されても良く、例えば、薄板の少なくとも一部分が分析のために関心のある流体又はガスに当てられ又はこの中に浸漬されても良い。

図６は、同様なダイヤモンド量子装置６０を示している。この装置６０は、上述したような単結晶合成ダイヤモンド材料の薄板６４を含むダイヤモンド量子コンポーネント６２を更に有する。量子装置は、層６４中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を光学的にポンピングする光源６６を更に有している。

図６に示されたダイヤモンド量子装置６０は、ダイヤモンドコンポーネント６２が合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板中の発光量子スピン欠陥からの光出力を増大させる光取り出し構造体６８を有するよう形成されている点において図５に示されたダイヤモンド量子装置とは異なっている。

図７は、別の実施例としてのダイヤモンド量子装置７０を示している。この装置は、上述したようなダイヤモンド量子コンポーネント７２及び光源７６を有する。装置７０は、これがダイヤモンド量子コンポーネント７２中の１つ又は２つ以上の崩壊中の量子スピン欠陥７４からの発光を検出する検出器７８を更に有している点において図５及び図６に示されている装置とは異なっている。

この装置構成例では、結果的にｍ_s＝±１状態への電子移動を生じさせるＮＶ^-欠陥の摂動の結果として、蛍光発光量の減少が生じ、次にこれを検出器７８によって検出することができる。

図８は、別の実施例としてのダイヤモンド量子装置８０を示している。この装置は、上述したようなダイヤモンド量子コンポーネント８２及び光源８６を有する。装置８０は、ダイヤモンドコンポーネント８２中の１つ又は２つ以上の崩壊中の量子スピン欠陥８４からの発光を検出する検出器８８を更に有している。装置８０は、これが単結晶合成ダイヤモンド薄板中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を操作するマイクロ波発振器８９を更に有している点で図７に示されている装置とは異なっている。

この装置構成例では、ダイヤモンド量子装置は、磁力計として機能することができ、マイクロ波発振器８９は、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント８２中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を操作するマイクロ波周波数範囲を走査するよう構成されている。或る特定の周波数では、ＮＶ^-欠陥は、ｍ_s＝０状態からｍ_s＝±１状態への電子移動を生じ、その結果、ＮＶ^-欠陥からの蛍光発光量が減少する。この電子移動が起こる周波数は、外部磁界又は電界により摂動を受けるｍ_s＝±１状態のエネルギーレベルで決まることになる。したがって、蛍光発光量の減少が生じる周波数を用いると、外部磁界又は電界を測定することができる。

図８に示されている装置の改造型形態では、この装置は、ｍ_s＝±１状態の縮退を分割する静磁場発生器を更に有するのが良く、この分割の大きさは、この場合、蛍光発光量の減少が起こる周波数の変化をもたらす外部磁界又は電界によって摂動を受け、この変化は、外部磁界又は電界の大きさ及び／又は方向の変化に対応している。

変形例として、図８に示されているダイヤモンド量子装置は、量子情報処理装置として機能するよう構成されても良い。かかる構成例では、マイクロ波発振器８９は、情報を複数個の量子スピン欠陥に書き込むために単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント中の複数個の量子スピン欠陥を選択的に操作するよう構成されるのが良く、検出器８８は、情報を複数個の量子スピン欠陥から読み取るために複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を選択的にアドレス指定するよう構成されるのが良い。

図９は、別の実施例としてのダイヤモンド量子装置９０を示している。この装置は、ダイヤモンドコンポーネント９２を有する。装置９０は、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコンポーネント９２中の１つ又は２つ以上の崩壊中の量子スピン欠陥からの発光を検出する検出器９５及び単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を操作するマイクロ波発振器９６を更に有する。マイクロ波発振器９６は、単結晶合成ダイヤモンド薄板中の複数個の量子スピン欠陥のうちの１つ又は２つ以上を操作するマイクロ波周波数範囲を走査するよう構成されている。装置９０は、ダイヤモンドコンポーネント９２に隣接して配置されたサンプル９９中の量子スピンを操作する周波数範囲を走査するよう構成された無線又はマイクロ波周波数発振器９８を更に有する。

この装置構成例は、スピン共鳴装置として機能することができる。かかる装置は、静磁場発生器を更に有する。かかる構成例では、サンプル９９は、静的フィールド、例えば静磁場を受ける。静磁場をサンプル９９に及ぼすことによって、サンプル中の核のスピンは、優先的に加えられた磁界と整列する。次に、振動フィールドをサンプルに加えて周波数を変化させる。振動フィールドが核スピンと共鳴関係になると、振動フィールドは、核スピンをフリップさせてこれを静的フィールドの方向とは逆に配向させる。この移動の結果として、局所磁界の変化が生じ、これを検知したり検出したりすることができる。互いに異なる核は、周りの電子の局所遮蔽効果及び密に間隔を置いて位置する核スピン相互間のスピン‐スピン相互作用に起因して加えられた振動フィールドの互いに異なる周波数でスピンフリップすることになる。

これまでのところ、上述の装置は、標準型ＮＭＲ装置のように機能するが、極めて小さなサンプル量で且つ極めて小さい静磁場で機能し、それにより、小型磁石の使用を可能にし（又は、事実、地磁界が用いられる場合磁石を不要にし）、かくして装置の全体としての小型化を可能にする。標準型ＮＭＲ装置とは対照的に、核スピン反転に起因して生じる局所磁界の変化は、サンプル９９に隣接して単結晶合成ダイヤモンド９２の薄板内に存在する１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を用いて検出される。

ＮＶ^-欠陥は、上述の静磁場Ｂ０内に配置される。したがって、ＮＶ^-欠陥内の電子スピン状態の縮退ｍ_s＝±１がスタイナート等に説明されているような仕方で分割される。ＮＶ^-欠陥は、５３２ｎｍの光学レーザ源で励起され、³Ａ基底状態から³Ｅ励起状態への電子の励起が生じる。励起されたｍ_s＝０電子は、遷移の際に発光を行う基底状態に戻った際に蛍光を呈し、この蛍光を検出する。振動マイクロ波場をＮＶ^-欠陥に加え、周波数を変化させる。振動マイクロ波場がＮＶ^-中心の電子スピンと共鳴状態になると、これにより、電子は、遷移を行ってｍ_s＝±１状態になる。共鳴スピン遷移を調べるには、マイクロ波（ＭＷ）周波数をスイープし、その結果、図２ａを参照してスタイナート等によって上述されているように光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルの固有のディップを生じさせるのが良い。

いまや、ｍ_s＝±１状態のエネルギーは、静磁場Ｂ０に依存するが、かかるエネルギーを振動ｒｆ磁界により引き起こされるサンプル中の核スピン反転によって生じる磁界の局所変化によって摂動させる。したがって、電子スピン共鳴がＮＶ^-欠陥中で生じるマイクロ波周波数は、サンプル中の核スピンが振動ｒｆ磁界と共鳴状態になると、シフトされる。これらの変化は、蛍光が生じるディップのシフトによって検出される。したがって、マイクロフルイディックサンプル中の核スピン共鳴は、ＮＶ^-欠陥中の電子スピン共鳴の変化により光学的に検出される。かくして、光信号を処理すると、ＮＭＲデータを生成することができる。これは、化学シフトデータを示すＮＭＲスペクトルの形態をしているのが良い。代替的に又は追加的に、複数の光学読みがマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で取られた場合、サンプルについて磁気共鳴画像（ＭＲＩ）を生じさせることができる。代替的に又は追加的に、電界（電場）の変化は、この技術を利用して測定できる。

上述のプロセスを用いて生成されたデータをスピン共鳴装置のディスプレイスクリーン上に表示するのが良い。変形例として、データをワイヤード又はワイヤレスかのいずれかにより処理及び表示のための外部装置、例えばラップトップ型又はデスクトップ型コンピュータに伝送しても良い。この場合、スピン共鳴装置内の処理及び表示は、単純化できると共にサイズ及びコストを減少させることができる。適当なコンピュータプログラムを提供してこれが携帯型スピン共鳴装置により収集されたデータを受け入れ、処理し、そして表示するために標準型コンピュータ上でランするのが良い。

上述したような量子装置は、流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネルを有するマイクロフルイディック装置であるように構成でき、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネントは、マイクロフルイディックチャネルに隣接して配置される。かかる構成例では、マイクロフルイディックチャネル及び量子センサとして働く単結晶合成ダイヤモンドコンポーネントを例えば図１０に示されているマイクロフルイディックセル中に組み込むことができる。

図１０は、ダイヤモンドを利用したマイクロフルイディックセル１００の一例を示している。マイクロフルイディックセル１００は、流体サンプルを入れることができるチャネル１０４に隣接して位置決めされた少なくとも１つのダイヤモンドセンサ１０２を有する。少なくとも１つのダイヤモンドセンサ１０２は、上述したような薄板を用いて形成できる１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥１０６を含む。ダイヤモンドセンサ１０２は、チャネル１０４内に配置されたサンプル内の磁界及び／又は電界の変化を検知するようチャネル１０４に隣接して位置決めされている。図示の構成例は、チャネル１０４の互いに反対側に設けられた２つのダイヤモンド検知要素１０２を有する。しかしながら、マイクロフルイディックセルは、１つだけ又は変形例として複数個のダイヤモンド検知要素を含んでも良いことが想定される。

マイクロフルイディックチャネルは、好ましくは、１ｍｍ以下、特に１００ｎｍ〜１ｍｍ、オプションとして５００ｎｍ〜５００μｍの少なくとも１つの寸法を有する。マイクロフルイディックチャネルのサイズは、或る特定の化学種に対して選択性であるように選択されるのが良い。２つ以上のチャネルが設けられるのが良い。互いに異なるチャネルは、化学種のサイズの差に基づいて互いに異なる化学種に対して選択性であるよう互いに異なるサイズを有するのが良い。

図１１は、マイクロフルイディックセル、例えば図１０に示されたマイクロフルイディックセルに用いられるスピン共鳴装置１１０を示している。スピン共鳴装置１１０は、静磁場発生器（Ｂ０）、第１の可変振動磁場発生器（Ｂ１）及び第２の可変振動磁場発生器（Ｂ₂）を有する。第１の可変振動磁場発生器（Ｂ１）は、好ましくは、高周波発生器であり、第２の可変振動磁場発生器（Ｂ₂）は、好ましくは、マイクロ波発生器である。スピン共鳴装置は、セル受け入れベイ１１４の周りに設けられた磁気遮蔽体１１２を更に有するのが良い。一構成例では、地磁界（磁場）は、静磁場として用いられ、かくして、追加の静磁場発生器は不要である。かかる構成例では、遮蔽体は、センサを外部振動場から遮蔽するが、静磁場に対してはそうではないように構成されているのが良い。かかる遮蔽体は、当業者には知られている。スピン共鳴装置は、セル受け入れベイ１１４内に設けられたダイヤモンド利用マイクロフルイディックセル中の量子スピン欠陥を励起するよう構成された光源１１６及びダイヤモンド利用マイクロフルイディックセル中の量子スピン欠陥からの光出力信号を検出する光学検出器１１８を更に有する。光源は、レーザ光源であるのが良い。光源は、マイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置での流体の分析を可能にするようマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で量子スピン欠陥を選択的に励起するよう構成されているのが良い。代替的に又は追加的に、検出器は、マイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置での流体の分析を可能にするようマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で量子スピン欠陥からの放出光を選択的に検出するよう構成されていても良い。

別の構成例では、上述の磁場発生器に代えて電場発生器を用いても良い。欠陥、例えばＮＶ中心の電子構造は、本発明の実施形態を用いて電場を磁場の代替手段として又はこれに加えて測定することができるようなものである。

１つ又は２つ以上のプロセッサ１２０が放出光データを受け入れたり処理したりするよう検出器５８に連係した状態スピン共鳴装置内に設けられるのが良い。１つ又は２つ以上のプロセッサ１２０は、結果を出力する出力部１２２に連係されるのが良い。出力部１２２は、スピン共鳴データを表示するディスプレイスクリーンを含むのが良い。１つ又は２つ以上のプロセッサ１２０及びディスプレイ１２２は、スピン共鳴装置中に組み込まれるのが良い。代替的に又は追加的に、出力部１２２は、データを処理したり表示したりする外部装置、例えばラップトップ型又はデスクトップ型コンピュータにデータを伝送するようになっていても良い。

かかる装置は、図９を参照して上述したように機能することができる。適当なパルスシーケンスを選択してこれを用いると、デコヒーレンス時間を長くすることができる。したがって、上述した装置は、デコヒーレンス時間を長くし、かくして感度を向上させるためにパルス化信号を１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に与えるよう構成されるのが良い。代表的なパルスシーケンスでは、π／２パルス、次にπパルス、次に別のπ／２パルスである。

実施例

薄膜の調製及び取り付け

［Ｎ］＜１００ｐｐｍの窒素濃度を含むタイプ１ｂの合成ＨＰＨＴダイヤモンドを用意した。５３２ｎｍ励起下のＰＬ実験において、中性窒素空孔欠陥（ＮＶ⁰）及び負に帯電した窒素空孔欠陥（ＮＶ^-）は、サンプル中で検出された唯一の色中心であった。ＨＰＨＴバルクサンプルでは、高密度のかかる欠陥を観察し、個々の色中心を解像することができなかった。

厚さ１μｍの膜を０．５ＭｅＶのエネルギーで且つ約５×１０¹⁶イオン／ｃｍ²のフルエンスでＨｅイオンの打ち込みを行い、次に８００℃で１時間かけて形成ガス（Ａｒ、４％Ｈ₂）中でアニールすることによって形成した。黒鉛層への接近を得るため、３０ｋｅＶＧａ⁺イオンの集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて２μｍの深さまで５μｍの穴をあけた。次に、フィルムをガルバニックエッチングサイクルの使用によりアンダーカットして黒鉛層を除去した。黒鉛をいったん除去すると、酸化酸中での最終清浄化により非ｓｐ³炭素が除去された。次に、更にＦＩＢミリングプロセスを用いて６０〜８０μｍ辺長さのほぼ正方形の膜を形成した。

次に、膜を支持基板から分離するため、マイクロマニピュレータプローブを白金溶接部により取り付け、その後ＦＩＢによる最終カットによって層を基板からリリースした。次に、薄い層／板を持ち上げて別の基板に移した。具体的に説明すると、薄板サンプルを白金スポット溶接部により光学的に平坦な基板に接合し、マニピュレータ先端部を切断して自由にした。光学的に平坦な基板は、６３７ｎｍの中心波長で９９．５％のピーク反射率を有する分散型ブラッグレフレクタを形成するλ／４ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂の８つの対で被覆したシリカ板で構成されていた。

走査共焦点顕微鏡

室温及び７７Ｋでの膜の光学的特徴付けを走査共焦点顕微鏡の使用により実施した。ＰＬ及びラマン分光法のためのサンプルの光学的励起を５３２ｎｍダイオードポンピング型ソリッドステートレーザ及び６３７ｎｍ半導体ダイオードレーザの使用により実施し、他方、反射率分光法のための照明は、較正タングステンフィラメント白色光源により行った。イメージング目的のための光学的検出を珪素フォトン計数モジュールを用いて行い、他方、スペクトル分解データに関し、ＬＮ₂冷却型ＣＣＤカメラを３００ライン／ｍｍグレーティングを備えた０．７５ｍイメージング分光計で用いた。基板に取り付けられた膜の平坦度を研究するため、反射率イメージングを６３７ｎｍのミラーのピーク反射率波長で実施した。

分光法

ＨＰＨＴ薄膜サンプルでは、源材料中の高濃度のＮＶ中心は、膜中に多数の色中心の存在を保証する。図１２は、このサンプルからの室温ＰＬ画像及びスペクトルを示している。ＰＬ画像中、双晶化転位がサンプルを横切る対角線として見える。左下の隅には、基板からの膜の分離のためにマイクロマニピュレータ先端部を取り付けるのに必要なＦＩＢ暴露に起因して生じるＰＬ信号の強力なサプレッションが明らかである。

図１２の下側部分のスペクトルは、強力なＮＶ中心発光を明らかにしており、ＮＶ^-充電状態からの６３７ｎｍでのゼロフォトンライン（ＺＰＬ）が明らかに見える。また、ＮＶ⁰からの幾分かの貢献が見え、そのＺＰＬが５７５ｎｍのところで見える。これらＺＰＬ及びこれらの対応のバイブロニック側波帯が図１３において７７Ｋスペクトル中に極めてはっきりと分かる。

白色光イメージング及び反射率

薄膜の光学的特性に関するそれ以上の情報が顕微鏡中に結合された白色光源を用いた反射率分光法を実施することによって得られた。図１４（ｄ）は、ＨＰＨＴサンプルから取られた代表的な反射率スペクトルを示している。観察された周期的変調は、薄膜中のファブリペローモードの存在によるものであり、それにより、反射率の最小値は、光が膜を貫いて頂面から反射されるのではなく失われるモード波長に対応している。一次元伝達行列方式を用いて実験をシミュレートすると共にこれらの損失の大きさを良好に定量化しようとした。自由パラメータは、ダイヤモンドの厚さＬ及びラウンドトリップ損失係数γである。ダイヤモンドのバルク屈折率ｎ＝２．４を考慮して反射率ピークの観察された自由スペクトル範囲からダイヤモンドの厚さを選択した。ブラッグスタックレフレクタも又、鏡中へのフィールドの侵入が含まれるよう十分にモデル化されている。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、この分析結果を示しており、図１４（ａ）は、白色光源のスペクトルであり、図１４（ｂ）は、計算された反射率スペクトルであり、図１４（ｃ）は、励起源のスペクトルの補正後におけるスペクトルである。図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）の比較から理解できるように、観察された反射率とモデルとには良好な一致が存在する。ピーク変調をマッチさせるためにはγ＝０．８が必要であった。興味深いこととして、実験データでは、ピークが約６３７ｎｍのところで観察され、これは、この膜中のＮＶ^-からのルミネッセンスによるものであったということに注目されたい。

結論

隔離色中心を含む高品質ダイヤモンド膜を求める中で、この実施例は、合成単結晶ＨＰＨＴダイヤモンドの薄板を形成するために用いられる打ち込み・リフトオフプロセス後に合成単結晶ＨＰＨＴダイヤモンド薄板中への明るいＮＶルミネッセンスの保持を実証した。かかる薄板は、量子スピン欠陥の効率的な励起及び励起された量子スピン欠陥により放出される光の収集に関して良好な光学的性質を有する。かくして、かかる薄板は、極めて純度の高い合成ＣＶＤダイヤモンド材料の厚手のサンプルの代替手段として、検知、検出及び量子情報処理に利用できる。

本発明を好ましい実施形態に関して図示すると共に具体的に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部の種々の変更を行うことができることは当業者には理解されよう。

Claims (15)

1. 合成単結晶ダイヤモンド材料の薄い板であって、前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、
   １００ｎｍ〜５０μｍの厚さと、
   １００ｐｐｂ（十億部あたりの部）以上の負に帯電した窒素空孔欠陥（ＮＶ ^- ）と、
   ２００ｐｐｍ（百万部当たりの部）未満のＮＶ ^- 欠陥以外の点欠陥濃度と、
   １０ｐｐｍ以上の全窒素濃度と、
   １ｐｐｍ以下の全ての非窒素点欠陥の濃度とを有し、
   合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の少なくとも１つの主要フェースは、ゼロ核スピン及び／又はゼロ電子スピンを有する表面末端化学種を含み、
   前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板中のＮＶ ^- 欠陥の濃度とデコヒーレンス時間Ｔ ₂ の積は、少なくとも０．１ｐｐｍ・μｓである、合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
2. 前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の厚さは、５００ｎｍ〜３０μｍ、１μｍ〜２０μｍ又は５μｍ〜１０μｍである、請求項１記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
3. 前記ＮＶ ^- 欠陥の濃度は、１ｐｐｍ以上、５ｐｐｍ以上、１０ｐｐｍ以上又は３０ｐｐｍ以上である、請求項１又は２記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
4. 前記ＮＶ ^- 欠陥の濃度は、２００ｐｐｍ以下、１５０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下又は５０ｐｐｍ以下である、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
5. 前記ＮＶ ^- 欠陥相互間の平均投影平面距離は、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、５μｍ以上、８μｍ以上、１０μｍ以上、２０μｍ以上又は５０μｍ以上である、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
6. 前記ＮＶ ^- 欠陥以外の点欠陥の濃度は、１５０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、２０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下又は５ｐｐｍ以下である、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
7. 全窒素濃度は、２０ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以上、１００ｐｐｍ以上、１５０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以上、２５０ｐｐｍ以上、３００ｐｐｍ以上、４００ｐｐｍ以上又は６００ｐｐｍ以上であり、全ての非窒素点欠陥の濃度は、これらのレベルの１／１０以下、１／１００以下又は１／１０００以下である、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
8. 前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、以下の特性、即ち、
   （１）５×１０^-5以下、１×１０^-5以下、５×１０^-6以下又は１×１０^-6以下の前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板に垂直な方向における複屈折、
   （２）４００／ｃｍ²以下、３００／ｃｍ²以下、２００／ｃｍ²以下又は１００／ｃｍ²以下のＸ線トポグラフィにより特徴付けられた拡張欠陥の密度、
   （３）５０秒角以下、２０秒角以下、１０秒角以下、７秒角以下、５秒角以下、３秒角以下、２秒角以下又は１．５秒角以下の（００４）反射に関するＦＷＨＭ（半値全幅）Ｘ線ロッキング曲線幅のうちの１つ又は２つ以上を有し、
   前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板に垂直な方向の複屈折は、５×１０^-5以下、１×１０^-5以下、５×１０^-6以下又は１×１０^-6以下である、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
9. 前記合成単結晶ダイヤモンド材料は、合成ＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド材料である、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
10. 前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板の両方の主要フェースは、ゼロ核スピン及び／又はゼロ電子スピンを有する表面末端化学種を含む、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
11. 前記表面末端化学種は、ゼロ核スピン及びゼロ電子スピンを有する、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
12. 前記ＮＶ ^- 欠陥は、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上、５ｍｓ以上又は１５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ₂を有し、対応のＴ₂ ^*値は、４００μｓ以下、２００μｓ以下、１５０μｓ以下、１００μｓ以下、７５μｓ以下、５０μｓ以下、２０μｓ以下又は１μｓ以下である、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
13. 前記ＮＶ ^- 欠陥の濃度とデコヒーレンス時間Ｔ₂の積は、少なくとも１ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも３０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５０ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも２００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも５００ｐｐｍ・μｓ、少なくとも１０００ｐｐｍ・μｓ又は少なくとも５０００ｐｐｍ・μｓである、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
14. 前記合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板は、全体が請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料で作られている、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板。
15. 装置であって、
    請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料の薄板を含む装置コンポーネントと、
    前記合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記ＮＶ ^- 欠陥のうちの１つ又は２つ以上を光学的にポンピングする光源とを含む、装置。

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