JP7327808B2 - 平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム及び量子磁気センサーユニット - Google Patents
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Description
本発明は、平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム及び量子磁気センサーユニットに関する。
ダイヤモンド中の窒素－空孔中心（ＮＶセンタ）が持つ電子スピン量子状態を利用した量子磁気センサーは、磁気検出感度及び空間分解能に優れるので、単一タンパク質や原子・分子スケールでの核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析を目指した研究が進められ、生命科学分野やバイオ関連分析機器への応用という観点で注目を集めている。
ＮＶセンタは、４９０ｎｍ～６００ｎｍの波長のレーザー光を照射されることで、６００ｎｍ～８００ｎｍの波長で発光する。発光の状態は、ＮＶセンタの電子スピン状態によって、変化する。ＮＶセンタの電子は、その近傍に存在する核スピンの影響を受けるので、ＮＶセンタに光を照射しその発光状態を調べることで、その近傍に存在する核スピンの状態を調べることができる。ＮＶセンタを用いた量子磁気センサーは、光を用いているので、低ノイズであり、マルチチャンネル化が容易であるという利点がある。また、ＮＶセンタのスピン量子状態が室温で安定しているので、冷却設備が不要という利点がある。
ＮＶセンタの量子磁気センサーを用いて、核磁気共鳴分析を行う場合、永久磁石によって、静磁場を測定対象を乗せた量子磁気センサーに印加する。静磁場の印加によって、量子磁気センサー上にある測定対象に含まれる核スピンが歳差運動を行う。量子磁気センサーは、この歳差運動によって生じる磁場（ｋＨｚ～ＭＨｚ）を検出する。
量子磁気センサーを用いて磁場を検出するには、数ｎｓ～数１００ｎｓのパルス幅を持つ、マイクロ波領域の振動磁場を用いて、量子磁気センサーのＮＶセンタの電子状態を操作する必要がある。通常、量子磁気センサーの近傍に銅線を這わせて、その銅線に交流電流を流すことで発生した振動磁場を用いる。しかし、この方法では、量子磁気センサーに印加される振動磁場の強度が量子磁気センサーと銅線との距離に依存するという問題がある。振動磁場の強度が不均一である場合、例えば、複数の量子磁気センサーを面上に配し、磁気イメージングを行った際に、検出信号が不均一となるという問題がある。
均一な磁場を印加できる技術としては、非特許文献１には、スプリットリング共振器を用いた量子磁気センサーが開示されている。また、非特許文献２には、ループギャップ共振器を用いた量子磁気センサーが開示されている。
Ｂａｙａｔ，Ｋ．ｅｔ ａｌ．，Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，Ｕｎｉｆｏｒｍ，ａｎｄ Ｌａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｏ ＮＶ ｃｅｎｔｅｒｓ ｉｎ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｕｓｉｎｇ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ． Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ． １４， １２０８ （２０１４）
Ｅｉｓｅｎａｃｈ，Ｅ． ｅｔ ａｌ．，Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｌｏｏｐ Ｇａｐ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｖａｃａｎｃｙ Ｃｅｎｔｅｒｓ ｉｎ Ｄｉａｍｏｎｄ． Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔ． ８９， ０９４７０５ （２０１８）
しかし、非特許文献１に開示されている技術では、振動磁場の線幅（周波数帯域）が狭いという問題がある。また、スプリットリング共振器は、板厚方向に光を通さないので、測定対象の観察のための一様な照明を照射できないという問題がある。ここで、線幅とは、磁場のパワースペクトルをローレンツ関数でフィッティングして得られる半値全幅を意味する。
また、非特許文献２に開示されている技術では、ループギャップ共振器が大きいので、共焦点顕微鏡など分析機器に導入する際に、大きなスペースが必要となる。また、励起部と共振器部分を別々に設計する必要があるという問題がある。
本発明は、上述の課題を鑑みてなされた発明であり、振動磁場がより一様であり、振動磁場の線幅をより広くすることが可能な、平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム、及び量子磁気センサーを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の一態様に係る、平面ループギャップ共振器は、絶縁基板と、前記絶縁基板の第１面に形成されたループ部と、前記ループ部から給電側に延びる延在部と、前記絶縁基板の第２面を覆う導体膜と、を備え、前記延在部が、給電側静電結合部と、その給電側静電結合部と静電結合を形成する共振器側静電結合部とを有し、前記共振器側静電結合部は、前記給電側静電結合部の突出部と離隔しつつ互い違いに対向して配置された他の突出部を有する。
（２）上記（１）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部の一部、及び、前記延在部の一部を切断し、前記ループ部側から前記延在部側に連続する、連続ギャップ部を備えてもよい。
（３）上記（２）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部は、前記連続ギャップ部以外にも、その一部を切断する１つ以上のループ部ギャッブを備えてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記共振器側静電結合部と前記給電側静電結合部との静電容量が２０～６５ｆＦであってもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記給電側静電結合部は複数の突出部を有し、前記共振器側静電結合部は複数の他の突出部を有してもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか1つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記突出部が櫛歯構造であってもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、共鳴周波数が２～１０ＧＨｚであってもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部に囲まれるように配置し、前記絶縁基板の厚み方向に光を透過する透過部をさらに備えてもよい。
（９）上記（８）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記透過部が前記絶縁基板及び前記導体膜を貫通する孔であってもよい。
（１０）上記（８）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記透過部は、前記絶縁基板が光透過性材料からなってもよい。
（１１）本発明の一態様に係る量子センシングシステムは、上記（１）～（１０）のいずれか1つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、レーザー照射手段と、前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を検出する光検出手段と、を備える。
（１２）本発明の一態様に係る量子センシングシステムは、上記（８）～（１０）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、レーザー照射手段と、前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記平面ループギャップ共振器の裏面側から前記透過部を介して前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を該透過部を介して検出する光検出手段と、を備える。
（１３）本発明の一態様に係る量子磁気センサーユニットは、上記（１）～（１０）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、を備える。
（１）本発明の一態様に係る、平面ループギャップ共振器は、絶縁基板と、前記絶縁基板の第１面に形成されたループ部と、前記ループ部から給電側に延びる延在部と、前記絶縁基板の第２面を覆う導体膜と、を備え、前記延在部が、給電側静電結合部と、その給電側静電結合部と静電結合を形成する共振器側静電結合部とを有し、前記共振器側静電結合部は、前記給電側静電結合部の突出部と離隔しつつ互い違いに対向して配置された他の突出部を有する。
（２）上記（１）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部の一部、及び、前記延在部の一部を切断し、前記ループ部側から前記延在部側に連続する、連続ギャップ部を備えてもよい。
（３）上記（２）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部は、前記連続ギャップ部以外にも、その一部を切断する１つ以上のループ部ギャッブを備えてもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記共振器側静電結合部と前記給電側静電結合部との静電容量が２０～６５ｆＦであってもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記給電側静電結合部は複数の突出部を有し、前記共振器側静電結合部は複数の他の突出部を有してもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか1つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記突出部が櫛歯構造であってもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、共鳴周波数が２～１０ＧＨｚであってもよい。
（８）上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器は、前記ループ部に囲まれるように配置し、前記絶縁基板の厚み方向に光を透過する透過部をさらに備えてもよい。
（９）上記（８）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記透過部が前記絶縁基板及び前記導体膜を貫通する孔であってもよい。
（１０）上記（８）に記載の平面ループギャップ共振器は、前記透過部は、前記絶縁基板が光透過性材料からなってもよい。
（１１）本発明の一態様に係る量子センシングシステムは、上記（１）～（１０）のいずれか1つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、レーザー照射手段と、前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を検出する光検出手段と、を備える。
（１２）本発明の一態様に係る量子センシングシステムは、上記（８）～（１０）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、レーザー照射手段と、前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記平面ループギャップ共振器の裏面側から前記透過部を介して前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を該透過部を介して検出する光検出手段と、を備える。
（１３）本発明の一態様に係る量子磁気センサーユニットは、上記（１）～（１０）のいずれか１つに記載の平面ループギャップ共振器と、量子磁気センサーと、を備える。
本発明の上記態様によれば、振動磁場がより一様であり、振動磁場の線幅をより広くすることが可能な、平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム、及び量子磁気センサーユニットを提供することできる。
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施形態に係る平面ループギャップ共振器を説明する。図１及び図１のＡ－Ａ断面図である図２に示すように、本発明の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１００は、絶縁基板１、ループ部２、延在部３、導体膜４、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。以下、各部について説明する。なお、本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施形態に係る平面ループギャップ共振器を説明する。図１及び図１のＡ－Ａ断面図である図２に示すように、本発明の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１００は、絶縁基板１、ループ部２、延在部３、導体膜４、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。以下、各部について説明する。なお、本明細書中において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
（絶縁基板）
絶縁基板１としては、例えば、高周波回路用基板、低損失誘電体基板、石英ガラスなどが挙げられる。このような基板としては、パナソニック社製Ｒ－１７５５Ｃ、利昌工業社製ＣＳ－３３７６Ｃなどがある。絶縁基板１に、例えば、石英ガラスのような光透過性材料を用いることで、絶縁基板１に孔をあけないで、透過部５を形成することができる。絶縁基板の厚さは、例えば、０．１～１．６ｍｍであり、絶縁基板１の比誘電率は、例えば、３．３～４．３である。
絶縁基板１としては、例えば、高周波回路用基板、低損失誘電体基板、石英ガラスなどが挙げられる。このような基板としては、パナソニック社製Ｒ－１７５５Ｃ、利昌工業社製ＣＳ－３３７６Ｃなどがある。絶縁基板１に、例えば、石英ガラスのような光透過性材料を用いることで、絶縁基板１に孔をあけないで、透過部５を形成することができる。絶縁基板の厚さは、例えば、０．１～１．６ｍｍであり、絶縁基板１の比誘電率は、例えば、３．３～４．３である。
（導体膜）
導体膜４は、絶縁基板１上の第２面１Ｂを覆うように、銅などの導体で形成される。導体膜４の形状は、抵抗値が十分低く、かつ、透過部５がある領域において、絶縁基板１の厚み方向に光を透過することができれば、特に限定されない。導体膜の厚さは、例えば、１０～３５μｍである。
導体膜４は、絶縁基板１上の第２面１Ｂを覆うように、銅などの導体で形成される。導体膜４の形状は、抵抗値が十分低く、かつ、透過部５がある領域において、絶縁基板１の厚み方向に光を透過することができれば、特に限定されない。導体膜の厚さは、例えば、１０～３５μｍである。
（ループ部）
ループ部２は、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。特定の周波数のマイクロ波が平面ループギャップ共振器１００に入った際に、ループ部２に沿って電流が流れる。そのため、電流によって生じる磁場がループ部２の中心を貫くように発生する。これによって、透過部５の領域に均一な振動磁場を印加することができる。ループ部２の直径は、測定対象を観察できる程度の大きさに設定される。例えば、光学顕微鏡で測定対象の確認を想定する場合は、例えば、直径２ｍｍ以上である。ループ部２の厚みは、例えば、１０～３５μｍである。
ループ部２は、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。特定の周波数のマイクロ波が平面ループギャップ共振器１００に入った際に、ループ部２に沿って電流が流れる。そのため、電流によって生じる磁場がループ部２の中心を貫くように発生する。これによって、透過部５の領域に均一な振動磁場を印加することができる。ループ部２の直径は、測定対象を観察できる程度の大きさに設定される。例えば、光学顕微鏡で測定対象の確認を想定する場合は、例えば、直径２ｍｍ以上である。ループ部２の厚みは、例えば、１０～３５μｍである。
（延在部）
延在部３は、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。延在部３の長さによって、平面ループギャップ共振器１００の共鳴周波数を調整することができる。延在部３は、給電側静電結合部６と、給電側静電結合部６と静電結合を形成する共振器側静電結合部７とを有する。上述した特定の周波数のマイクロ波は、給電側静電結合部６から共振器側静電結合部７を通してループ部２に送られる。延在部３の厚みは、例えば、１０～３５μｍの間である。
延在部３は、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。延在部３の長さによって、平面ループギャップ共振器１００の共鳴周波数を調整することができる。延在部３は、給電側静電結合部６と、給電側静電結合部６と静電結合を形成する共振器側静電結合部７とを有する。上述した特定の周波数のマイクロ波は、給電側静電結合部６から共振器側静電結合部７を通してループ部２に送られる。延在部３の厚みは、例えば、１０～３５μｍの間である。
共振器側静電結合部７は、図１のように、給電側静電結合部６の突出部８と離隔しつつ互い違いに対向して配置された他の突出部９を有する。突出部８と他の突出部９が離隔しつつ互い違いに対向して配置されることで、突出部８がない場合（静電容量１０ｆＦ未満）と比較して静電容量を向上することができる。給電側静電結合部６は、突出部８を３つ（複数）備え、共振器側静電結合部７は、他の突出部９を２つ（複数）備える。突出部８及び他の突出部９が、それぞれ２個以上であると、より静電容量を向上することができる。静電容量が高いほど、線幅を広くすることができる。また、突出部８及び他の突出部９の形状は、図１のように、櫛歯構造であってもよい。
給電側静電結合部６と共振器側静電結合部７との静電容量は２０ｆＦ～６５ｆＦであることが好ましい。静電容量が２０ｆＦ～６５ｆＦであれば、線幅を１００ＭＨｚ以上とすることができる。
給電側静電結合部６と共振器側静電結合部７との静電容量は、例えば、図３に示す突出部８及び他の突出部９の幅ｌｗ、突出部８と他の突出部９のギャップ間隔ｇ、突出部８及び他の突出部９の長さｌで調整することができる。なお、給電側静電結合部６と共振器側静電結合部７との静電容量は、下記（１）及び（２）式から計算することができる。ｇは、突出部８と他の突出部とのギャップ間隔、ｌｔｏｔは、共振器側静電結合部７と対抗する給電側静電結合部６の全長である。図３の場合では、ｌｔｏｔは、ｗ＋３ｌとなる。ｔｓは、給電側静電結合部６の厚みであり、ε０は、真空の誘電率である。給電側静電結合部６と共振器側静電結合部７との静電容量を計算する際に用いる比誘電率εｒｅは、下記（３）式から計算することができる。ここで、ｈは、絶縁基板１の厚みであり、εｒは、絶縁基板１の誘電率である。なお、本実施形態において、ギャップ間隔ｇは、０．１ｍｍ以上である。ギャップ間隔ｇは０．３０ｍｍ以下としてもよい。
連続ギャップ部１０は、ループ部２の一部及び延在部３の一部を切断し、ループ部２側から延在部３側に連続するように形成されている。本実施形態において、連続ギャップ部１０のギャップ間には、何もない（大気が存在）が、そのギャップ中に誘電体が充填されていてもよい。連続ギャップ１０のギャップ間隔は、例えば、０．１ｍｍ以上である。連続ギャップ１０のギャップ間隔は、例えば０．８ｍｍ以下である。
平面ループギャップ共振器１００の共鳴周波数は、２ＧＨｚ～１０ＧＨｚであることが好ましい。共鳴周波数２ＧＨｚ～１０ＧＨｚは、平面ループギャップ共振器１００上に設置される量子磁気センサーに、印加する磁場が０ｍＴ超２５０ｍＴ以下の場合の動作周波数に対応する。より好ましい共鳴周波数は３ＧＨｚ～１０ＧＨｚである。従来のマイクロ波回路の共鳴周波数は、２．８７ＧＨｚであったので、約１０ｍＴまでしか対応していなかった。平面ループギャップ共振器１００を用いることで、より高い磁場で量子磁気センサ―を動作することが可能となる。このように共鳴周波数を上げることで、磁気回転比の小さい原子各種からの核スピン磁場の検出が可能となる。
平面ループギャップ共振器１００の共鳴周波数は、ループ部２の長さと延在部３の長さと連続ギャップ部１０のギャップ間隔で調整することができる。設計用のソフトとしては、Ａｖａｇｏ社のＡｐｐＣＡＤ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｓｓｉｓｔａｎｔなどを用いることができる。例えば、インピーダンスが５０Ω、電気長が約０．５λとなるように、絶縁基板１の厚さ、ループ部２の幅、延在部３の幅などを設定して設計することができる。
透過部５は、ループ部２に囲まれるように配置され、絶縁基板１の厚み方向に光を透過する。透過部５を通し、量子磁気センサーに一様な光を照射することで、量子磁気センサー上の測定対象の位置を確認しながら、核磁気測定を行うことができる。絶縁基板１の厚み方向に光を透過するなら、透過部５の構成は、特に限定されない。例えば、絶縁基板１及び導体膜４を貫通する孔を形成し、光を透過してもよい。また、絶縁基板１が光透過性を有することで、絶縁基板１の厚み方向に光を透過してもよい。
また、透過部５があることで、表面に測定対象を乗せた量子磁気センサーの裏面側（測定対象を乗せた面の反対の面側）からレーザー光を照射して測定することができる。レーザー光を量子磁気センサーの裏面側から照射することで、測定対象が発光信号（６００ｎｍ～８００ｎｍ）を吸収してしまう場合でも、核磁気測定を行うことができる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０１を、図４を参照して説明する。なお、この第２の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第２の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０１は、図４に示すように、絶縁基板１、ループ部２、延在部３Ａ、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０１は、平面ループギャップ共振器１００と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。
以下、各部について説明する。
次に、本発明に係る第２の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０１を、図４を参照して説明する。なお、この第２の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第２の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０１は、図４に示すように、絶縁基板１、ループ部２、延在部３Ａ、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０１は、平面ループギャップ共振器１００と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。
以下、各部について説明する。
延在部３Ａは、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。延在部３ＡはＬ字の屈曲部を備える。延在部３ＡのＬ字の屈曲部の長さを調整することで、共鳴周波数を調整することができる。
延在部３Ａは、給電側静電結合部６Ａ及び共振器側静電結合部７Ａを備える。給電側静電結合部６Ａは、突出部８Ａを２つ備え、共振器側静電結合部７Ａは、他の突出部９Ａを２つ備える。突出部８Ａ及び他の突出部９Ａは、突出部の長さｌを調整することで、線幅を調整することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０２を、図５を参照して説明する。なお、この第３の実施形態においては、第１の実施形態及び第２の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第３の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０２は、図５に示すように、絶縁基板１、ループ部２、延在部３Ｂ、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０２は、平面ループギャップ共振器１００及び平面ループギャップ共振器１０１と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。
以下、各部について説明する。
次に、本発明に係る第３の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０２を、図５を参照して説明する。なお、この第３の実施形態においては、第１の実施形態及び第２の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第３の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０２は、図５に示すように、絶縁基板１、ループ部２、延在部３Ｂ、透過部５及び連続ギャップ部１０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０２は、平面ループギャップ共振器１００及び平面ループギャップ共振器１０１と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。
以下、各部について説明する。
延在部３Ｂは、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。延在部３ＢのＬ字の屈曲部の長さを調整することで、共鳴周波数を調整することができる。
延在部３Ｂは、給電側静電結合部６Ｂ及び共振器側静電結合部７Ｂを備える。給電側静電結合部６Ｂは、突出部８Ｂを１つ備え、共振器側静電結合部７Ｂは、他の突出部９Ｂを１つ備える。突出部８Ｂ及び他の突出部９Ｂは、突出部の長さｌを調整することで、線幅を調整することができる。突出部８Ｂ及び他の突出部９Ｂをそれぞれ１つ備える場合であっても、線幅を１００ＭＨｚ以上とすることができる。
＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係る第４の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０３を、図６を参照して説明する。なお、この第４の実施形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第４の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０３は、図６に示すように、絶縁基板１、ループ部２Ａ、延在部３Ｃ、透過部５、連続ギャップ部１０、ループ部ギャップ１１及び付加延在部２０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０３は、平面ループギャップ共振器１００、平面ループギャップ共振器１０１及び平面ループギャップ共振器１０２と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。以下、各部について説明する。
次に、本発明に係る第４の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０３を、図６を参照して説明する。なお、この第４の実施形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第４の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０３は、図６に示すように、絶縁基板１、ループ部２Ａ、延在部３Ｃ、透過部５、連続ギャップ部１０、ループ部ギャップ１１及び付加延在部２０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０３は、平面ループギャップ共振器１００、平面ループギャップ共振器１０１及び平面ループギャップ共振器１０２と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。以下、各部について説明する。
ループ部２Ａは、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。ループ部２Ａは、連続ギャップ部１０以外にも、その一部を切断するループ部ギャッブ１１を備える。ループ部２Ａがループ部ギャップ１１を備えることで、より高い共鳴周波数にすることができる。
ループ部ギャップ１１は、付加延在部２０の一部を切断し、ループ部２Ａ側から付加延在部２０に連続している。付加延在部２０の長さで共鳴周波数の調整をすることができる。
延在部３Ｃは、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成され、給電側と静電結合を形成する。延在部３Ｃは、給電側静電結合部６Ｃ及び共振器側静電結合部７Ｃを備える。給電側静電結合部６Ｃは、突出部８Ｃを１つ備え、共振器側静電結合部７Ｃは、他の突出部９Ｃを２つ備える。突出部８Ｃ及び他の突出部９Ｃがあることで、線幅を１００ＭＨｚ以上とすることができる。
＜第５の実施形態＞
次に、本発明に係る第５の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０４を、図７を参照して説明する。なお、この第５の実施形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第５の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０４は、図７に示すように、絶縁基板１、ループ部２Ｂ、延在部３Ｃ、透過部５、連続ギャップ部１０、ループ部ギャップ１１、ループ部ギャップ１２、ループ部ギャップ１３及び付加延在部２０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０４は、平面ループギャップ共振器１００、平面ループギャップ共振器１０１、平面ループギャップ共振器１０２及び平面ループギャップ共振器１０３と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。以下、各部について説明する。
次に、本発明に係る第５の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０４を、図７を参照して説明する。なお、この第５の実施形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。第５の実施形態に係る平面ループギャップ共振器１０４は、図７に示すように、絶縁基板１、ループ部２Ｂ、延在部３Ｃ、透過部５、連続ギャップ部１０、ループ部ギャップ１１、ループ部ギャップ１２、ループ部ギャップ１３及び付加延在部２０を備える。また、平面ループギャップ共振器１０４は、平面ループギャップ共振器１００、平面ループギャップ共振器１０１、平面ループギャップ共振器１０２及び平面ループギャップ共振器１０３と同様に絶縁基板１の第２面１Ｂに導体膜４を備える。以下、各部について説明する。
ループ部２Ｂは、絶縁基板１上の第１面１Ａに、銅などの導体によって形成される。ループ部２Ｂは、連続ギャップ部１０以外にも、その一部を切断するループ部ギャッブ１１、ループ部ギャップ１２及びループ部ギャップ１３を備える。ループ部２Ｂがループ部ギャップ１２及び１３をさらに備えることで、ループ部ギャップ１１のみの場合よりも、より高い共鳴周波数にすることができる。
＜量子センシングシステム＞
次に、本実施形態に係る量子センシングシステム２００について説明する。図８に示す通り、本実施形態に係る量子センシングシステム２００は、制御部５０と、タイミング制御部５１と、データ収集部５２と、光検出部５３と、レーザー光源部５４と、レーザー調整部５５と、レーザー走査部５６と、光学系システム５７と、マイクロ波発生部５８と、マイクロ波パルス生成部５９と、量子磁気センサー６０と、磁石６１と、平面ループギャップ共振器１００とを備える。平面ループギャップ共振器１００は、第１の実施形態の平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の実施形態の平面ループギャップ共振器１０１～１０４のいずれを用いてもよい。なお、本実施形態に係る量子センシングシステム２００は、量子センシングシステムの一例であり、図８の構成に限定されない。また、本実施形態において、量子磁気センサーユニットとは、量子磁気センサー６０と平面ループギャップ共振器１００とを組み合わせたものをいう。量子磁気センサーユニットには、平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の平面ループギャップ共振器１０１～１４０のいずれを用いてもよい。以下、各部について説明する。
次に、本実施形態に係る量子センシングシステム２００について説明する。図８に示す通り、本実施形態に係る量子センシングシステム２００は、制御部５０と、タイミング制御部５１と、データ収集部５２と、光検出部５３と、レーザー光源部５４と、レーザー調整部５５と、レーザー走査部５６と、光学系システム５７と、マイクロ波発生部５８と、マイクロ波パルス生成部５９と、量子磁気センサー６０と、磁石６１と、平面ループギャップ共振器１００とを備える。平面ループギャップ共振器１００は、第１の実施形態の平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の実施形態の平面ループギャップ共振器１０１～１０４のいずれを用いてもよい。なお、本実施形態に係る量子センシングシステム２００は、量子センシングシステムの一例であり、図８の構成に限定されない。また、本実施形態において、量子磁気センサーユニットとは、量子磁気センサー６０と平面ループギャップ共振器１００とを組み合わせたものをいう。量子磁気センサーユニットには、平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の平面ループギャップ共振器１０１～１４０のいずれを用いてもよい。以下、各部について説明する。
（制御部）
制御部５０は、データ取得のタイミング、マイクロ波パルス生成のタイミング、及びレーザー光を測定対象６２に照射するタイミングを制御する。
制御部５０は、データ取得のタイミング、マイクロ波パルス生成のタイミング、及びレーザー光を測定対象６２に照射するタイミングを制御する。
制御部５０は、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ），Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ）、Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）及びＨａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ（ＨＤＤ）／Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ（ＳＳＤ）を備える。ＣＰＵにおいて、所定のプログラムを実行することで、量子センシングシステム２００の制御を行う。プログラムは、記録媒体経由で取得してもよく、ネットワーク経由で取得してもよい。
（タイミング制御部）
タイミング制御部５１は、制御部５０からの指示に応じて、データ収集部５２に対し、データを取得するタイミングを知らせる信号を送る。同様に、タイミング制御部５１は、マイクロ波パルス生成部５９にマイクロ波パルス生成のタイミングを知らせる信号を送る。また、タイミング制御部５１は、レーザー光を測定対象６２に照射するタイミングを知らせる信号をレーザー調整部５５に送る。タイミング制御部５１としては、例えばＴＴＬパルス発生器が挙げられる。
タイミング制御部５１は、制御部５０からの指示に応じて、データ収集部５２に対し、データを取得するタイミングを知らせる信号を送る。同様に、タイミング制御部５１は、マイクロ波パルス生成部５９にマイクロ波パルス生成のタイミングを知らせる信号を送る。また、タイミング制御部５１は、レーザー光を測定対象６２に照射するタイミングを知らせる信号をレーザー調整部５５に送る。タイミング制御部５１としては、例えばＴＴＬパルス発生器が挙げられる。
（データ収集部）
データ収集部５２は、タイミング制御部５１から送られてきた信号に応じ、光検出部５３から送られてきた蛍光の情報を制御部５０に送る。
データ収集部５２は、タイミング制御部５１から送られてきた信号に応じ、光検出部５３から送られてきた蛍光の情報を制御部５０に送る。
（光検出部）
光検出部５３は、量子磁気センサー６０にレーザー光を照射して得られる光（蛍光）を電気信号に変換する。変換後の電気信号は、データ収集部５２に送られる。
光検出部５３は、量子磁気センサー６０にレーザー光を照射して得られる光（蛍光）を電気信号に変換する。変換後の電気信号は、データ収集部５２に送られる。
（レーザー光源部）
レーザー光源部５４は、レーザー光を照射する。照射されたレーザー光は、レーザー調整部５５に送られる。レーザー光の波長は、４９０ｎｍ～６００ｎｍである。
レーザー光源部５４は、レーザー光を照射する。照射されたレーザー光は、レーザー調整部５５に送られる。レーザー光の波長は、４９０ｎｍ～６００ｎｍである。
（レーザー調整部）
レーザー調整部５５は、タイミング制御部５１から送られてきたレーザー光照射のタイミング信号に応じ、レーザー光源部５４から送られてきたレーザー光の強度を変調する。これによって、レーザー光の照射タイミングを調整することができる。レーザー調整部５５で変調されたレーザー光は、レーザー走査部５６に送られる。
レーザー調整部５５は、タイミング制御部５１から送られてきたレーザー光照射のタイミング信号に応じ、レーザー光源部５４から送られてきたレーザー光の強度を変調する。これによって、レーザー光の照射タイミングを調整することができる。レーザー調整部５５で変調されたレーザー光は、レーザー走査部５６に送られる。
（レーザー走査部）
レーザー走査部５６は、レーザー調整部５５から送られてきたレーザー光の進行方向を変更することで、光学系システム５７中に設置された量子磁気センサー６０を走査する。量子磁気センサー６０を走査し、レーザー光を照射された位置から発生した光（蛍光）を光検出部５３で電気信号に変換することで、測定対象６２の２次元情報を得ることができる。
レーザー走査部５６は、レーザー調整部５５から送られてきたレーザー光の進行方向を変更することで、光学系システム５７中に設置された量子磁気センサー６０を走査する。量子磁気センサー６０を走査し、レーザー光を照射された位置から発生した光（蛍光）を光検出部５３で電気信号に変換することで、測定対象６２の２次元情報を得ることができる。
（光学系システム）
光学系システム５７は、量子磁気センサー６０上の測定対象６２を観察する光学系システムである。光学系システム５７は、例えば、共焦点レーザー顕微鏡が挙げられる。光学系システム５７と、平面ループギャップ共振器１００とを組み合わせることで、測定対象６２を確認しながら、測定対象６２の核スピンの情報を取得することができる。測定対象６２としては、例えば、顕微鏡用液浸オイル（プロトン核スピン試料）、アモルファスシリカ（２９Ｓｉスピン試料）、グリセリン、キシレン、リン酸トリメチル、ギ酸エチル等が挙げられる。
光学系システム５７は、量子磁気センサー６０上の測定対象６２を観察する光学系システムである。光学系システム５７は、例えば、共焦点レーザー顕微鏡が挙げられる。光学系システム５７と、平面ループギャップ共振器１００とを組み合わせることで、測定対象６２を確認しながら、測定対象６２の核スピンの情報を取得することができる。測定対象６２としては、例えば、顕微鏡用液浸オイル（プロトン核スピン試料）、アモルファスシリカ（２９Ｓｉスピン試料）、グリセリン、キシレン、リン酸トリメチル、ギ酸エチル等が挙げられる。
（マイクロ波発生部）
マイクロ波発生部５８は、平面ループギャップ共振器１００に送る特定の周波数のマイクロ波を発生させる。マイクロ波発生部５８で発生したマイクロ波は、マイクロ波パルス生成部５９に送られる。
マイクロ波発生部５８は、平面ループギャップ共振器１００に送る特定の周波数のマイクロ波を発生させる。マイクロ波発生部５８で発生したマイクロ波は、マイクロ波パルス生成部５９に送られる。
（マイクロ波パルス生成部）
マイクロ波パルス生成部５９は、マイクロ波発生部５８から送られてきたマイクロ波をタイミング制御部５１から送られてきたマイクロ波パルスの生成タイミングを知らせる信号に基づいて、マイクロ波パルスを生成する。マイクロ波パルス生成部５９で生成したマイクロ波パルスは、平面ループギャップ共振器１００に送られ、振動磁場を発生させる。マイクロ波パルスは、数ｎｓ～数１００ｎｓのパルス幅を有する。
マイクロ波パルス生成部５９は、マイクロ波発生部５８から送られてきたマイクロ波をタイミング制御部５１から送られてきたマイクロ波パルスの生成タイミングを知らせる信号に基づいて、マイクロ波パルスを生成する。マイクロ波パルス生成部５９で生成したマイクロ波パルスは、平面ループギャップ共振器１００に送られ、振動磁場を発生させる。マイクロ波パルスは、数ｎｓ～数１００ｎｓのパルス幅を有する。
（磁石）
磁石６１は、量子磁気センサー６０に静磁場を印加する。量子磁気センサー６０に印加される静磁場は、例えば、０ｍＴ超２５０ｍＴ以下である。この静磁場の印加によって、測定対象６２の核スピンが静磁場の印加方向を軸に歳差運動する。なお、図８において、磁石６１は、平面ループギャップ共振器１００の下に置かれているが、量子磁気センサー６０の上側に設置してもよい。
磁石６１は、量子磁気センサー６０に静磁場を印加する。量子磁気センサー６０に印加される静磁場は、例えば、０ｍＴ超２５０ｍＴ以下である。この静磁場の印加によって、測定対象６２の核スピンが静磁場の印加方向を軸に歳差運動する。なお、図８において、磁石６１は、平面ループギャップ共振器１００の下に置かれているが、量子磁気センサー６０の上側に設置してもよい。
（量子磁気センサー）
量子磁気センサー６０は、例えば、窒素をドープしたダイヤモンド薄膜である。ダイヤモンド薄膜を形成する基板は、例えば、ダイヤモンド基板などである。窒素をドープしたダイヤモンド薄膜の厚さは例えば１～１０ｎｍである。ダイヤモンド基板上のＮＶセンタの個数密度は例えば、１０９個／ｃｍ３～１０１６個／ｃｍ３である。ＮＶセンタの個数密度が、１０９個／ｃｍ３～１０１６個／ｃｍ３あれば、レーザー光を走査した際に、十分な２次元情報を取得することができる。
量子磁気センサー６０は、例えば、窒素をドープしたダイヤモンド薄膜である。ダイヤモンド薄膜を形成する基板は、例えば、ダイヤモンド基板などである。窒素をドープしたダイヤモンド薄膜の厚さは例えば１～１０ｎｍである。ダイヤモンド基板上のＮＶセンタの個数密度は例えば、１０９個／ｃｍ３～１０１６個／ｃｍ３である。ＮＶセンタの個数密度が、１０９個／ｃｍ３～１０１６個／ｃｍ３あれば、レーザー光を走査した際に、十分な２次元情報を取得することができる。
＜量子センシングの方法＞
以下、量子センシング方法について説明する。測定対象６２を乗せた量子磁気センサー６０は、平面ループギャップ共振器１００上に設置され、光学系システム５７内に導入される。平面ループギャップ共振器１００の表面から量子磁気センサー６０の表面までの高さは例えば、０．２５ｍｍ～１．０ｍｍである。高さをこの位置にすることで、均一な振動磁場を量子磁気センサー６０に印加することができる。平面ループギャップ共振器１００には、透過部５があるので、平面ループギャップ共振器１００の裏面側から一様な照明を当てることができる。そのため、光学系システム５７において、測定対象６２の位置合わせが容易であり、また測定対象６２を観察しながら測定を行うことができる。
以下、量子センシング方法について説明する。測定対象６２を乗せた量子磁気センサー６０は、平面ループギャップ共振器１００上に設置され、光学系システム５７内に導入される。平面ループギャップ共振器１００の表面から量子磁気センサー６０の表面までの高さは例えば、０．２５ｍｍ～１．０ｍｍである。高さをこの位置にすることで、均一な振動磁場を量子磁気センサー６０に印加することができる。平面ループギャップ共振器１００には、透過部５があるので、平面ループギャップ共振器１００の裏面側から一様な照明を当てることができる。そのため、光学系システム５７において、測定対象６２の位置合わせが容易であり、また測定対象６２を観察しながら測定を行うことができる。
量子磁気センサー６０上のＮＶセンタは、レーザー光源部５４から照射されたレーザー光により、初期化される。スピン状態の初期化を行うことで、Ｓ／Ｎ比を５０００倍以上にすることができる。ここで、初期化とは、ＮＶセンタにレーザー光を照射し、ＮＶセンタを励起後に、ＮＶセンタの電子スピン状態を１つに揃えることをいう。
量子磁気センサー６０には、磁石６１によって、静磁場が印加される。これによって、測定対象６２の核スピンが歳差運動する。次に、マイクロ波発生部５８及びマイクロ波パルス生成部５９で生成されたマイクロ波パルスを平面ループギャップ共振器１００に入れ、振動磁場を発生させる。この振動磁場の周波数は印加した磁場におけるＮＶセンタの電子スピン共鳴周波数と一致させる。この振動磁場で、初期化したスピン状態を９０度（π／２パルス）傾け、その後１８０度回転させるパルス（πパルス）を同じ時間間隔で印加する。このπパルス列の周期を測定対象６２の核スピンの歳差運動の周期に一致させ、ＮＶセンタの電子スピンと測定対象６２の核スピンとの間に磁気結合を形成させる。磁気結合を形成した後、最後にπ／２パルスを印加する。
πパルス列によって磁気結合を形成し、π／２パルスを印加したのち、量子磁気センサー６０にレーザー光源部５４、レーザー調整部５５、レーザー走査部５６を用いてレーザー光を照射する。量子磁気センサー６０上のレーザー光を照射された部分は、ＮＶセンタの電子スピン状態に応じて発光する。この発光した光（蛍光を）を光検出部５３で電気信号に変えることで、測定対象６２の核スピンの影響を受けたＮＶセンタの電子スピン状態を把握することができる。レーザー走査部５６を用い、量子磁気センサー６０の表面を走査することで、測定対象６２の２次元情報を取得することができる。
（実験例）
以下、本実施形態に係る平面ループギャップ共振器の有用性を示すための実験例を説明する。
以下、本実施形態に係る平面ループギャップ共振器の有用性を示すための実験例を説明する。
（磁場の均一性）
平面ループギャップ共振器において発生する磁場の均一性を調べるために、図１の構造の平面ループギャップ共振器について電磁界シミュレーションを行った。得られた電磁界シミュレーションの結果を図９及び図１０に示す。図９は、絶縁基板から１ｍｍ離れた位置での磁場の分布を示し、図１０は、絶縁基板から１ｍｍ離れた位置での磁場の方向（絶縁基板の面に対して垂直方向からの角度）の分布を示しており、磁場の方向は、ループ部から透過部の中心に向かって絶縁基板面から垂直方向に次第に立ち上がっており、透過部の中心から１．５ｍｍ以内の領域は、絶縁基板面の垂直方向から３０度以下になっている。図９及び図１０に示されるように、透過部内に、絶縁基板の垂直方向に０．１ｍＴの均一な磁場が、印加されていることがわかった。
平面ループギャップ共振器において発生する磁場の均一性を調べるために、図１の構造の平面ループギャップ共振器について電磁界シミュレーションを行った。得られた電磁界シミュレーションの結果を図９及び図１０に示す。図９は、絶縁基板から１ｍｍ離れた位置での磁場の分布を示し、図１０は、絶縁基板から１ｍｍ離れた位置での磁場の方向（絶縁基板の面に対して垂直方向からの角度）の分布を示しており、磁場の方向は、ループ部から透過部の中心に向かって絶縁基板面から垂直方向に次第に立ち上がっており、透過部の中心から１．５ｍｍ以内の領域は、絶縁基板面の垂直方向から３０度以下になっている。図９及び図１０に示されるように、透過部内に、絶縁基板の垂直方向に０．１ｍＴの均一な磁場が、印加されていることがわかった。
（突出部と線幅との関係）
突出部が１つのみの図４の平面ループギャップ共振器及び突出部が２つある図５の平面ループギャップ共振器についてシミュレーションを行った。給電は１Ｗの入力、磁場の強さは、透過部の中央部分における磁場とし、絶縁基板から高さ１ｍｍの位置での磁場の強さをプロットした。得られた磁場と周波数との関係を図１１に示す。図１１の横軸は、周波数を示し、縦軸は、平面ループギャップ共振器で発生する磁場を示す。突出部が１つの場合をＮ＝１、２つの場合をＮ＝２とした。図１１に示す通り、図４の平面ループギャップ共振器及び図５の平面ループギャップ共振器はともに、線幅が１００ＭＨｚ以上であった。また、突出部を増やすことによって、平面ループギャップ共振器の線幅がより広くなった。
突出部が１つのみの図４の平面ループギャップ共振器及び突出部が２つある図５の平面ループギャップ共振器についてシミュレーションを行った。給電は１Ｗの入力、磁場の強さは、透過部の中央部分における磁場とし、絶縁基板から高さ１ｍｍの位置での磁場の強さをプロットした。得られた磁場と周波数との関係を図１１に示す。図１１の横軸は、周波数を示し、縦軸は、平面ループギャップ共振器で発生する磁場を示す。突出部が１つの場合をＮ＝１、２つの場合をＮ＝２とした。図１１に示す通り、図４の平面ループギャップ共振器及び図５の平面ループギャップ共振器はともに、線幅が１００ＭＨｚ以上であった。また、突出部を増やすことによって、平面ループギャップ共振器の線幅がより広くなった。
（給電側静電結合部及び共振器側静電結合部におけるギャップと線幅の関係）
次に図１の平面ループギャップ共振器について、給電側静電結合部と共振器側静電結合部との間のギャップ間隔を変えて、電磁界シミュレーションを行った。ギャップ間隔は、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍの４水準とした。給電は１Ｗの入力、磁場の強さは、透過部の中央部分における磁場とし、絶縁基板から高さ１ｍｍの位置での磁場の強さをプロットした。得られた磁場と周波数との関係を図１２に示す。図１２の縦軸は、磁場の強度を示し、横軸は、周波数を示す。また、ギャップ間隔と線幅（半値全幅）との関係を図１３に示す。図１３の縦軸は、線幅（半値全幅）を示し、横軸は、ギャップ間隔を示す。図１２及び図１３に示す通り、ギャップが０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の間では、線幅が１００ＭＨｚ以上であった。また、ギャップが広くなるほど、線幅は狭くなる傾向を示した。
次に図１の平面ループギャップ共振器について、給電側静電結合部と共振器側静電結合部との間のギャップ間隔を変えて、電磁界シミュレーションを行った。ギャップ間隔は、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍの４水準とした。給電は１Ｗの入力、磁場の強さは、透過部の中央部分における磁場とし、絶縁基板から高さ１ｍｍの位置での磁場の強さをプロットした。得られた磁場と周波数との関係を図１２に示す。図１２の縦軸は、磁場の強度を示し、横軸は、周波数を示す。また、ギャップ間隔と線幅（半値全幅）との関係を図１３に示す。図１３の縦軸は、線幅（半値全幅）を示し、横軸は、ギャップ間隔を示す。図１２及び図１３に示す通り、ギャップが０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の間では、線幅が１００ＭＨｚ以上であった。また、ギャップが広くなるほど、線幅は狭くなる傾向を示した。
以上に示した通り、本実施形態に係る平面ループギャップは、振動磁場が一様であり、振動磁場の線幅が広く、かつ、測定対象の観察のための一様な照明を照射可能である。
（変形例）
図８の量子センシングシステム２００において、レーザー照射手段（レーザー光源部５４、レーザー調整部５５及びレーザー走査部５６）から照射されたレーザー光（波長４９０ｎｍ～６００ｎｍ）を量子磁気センサー６０の表側に照射しているが、量子磁気センサー６０の裏面側に照射してもよい。例えば、図８において、レーザー照射手段を平面ループギャップ共振器１００の裏面側からレーザー光を照射できるように配置し、同様に光検出手段である光検出部５３を平面ループギャップ共振器１００の裏面側から光を検出できるように配置する。このように配置することで、レーザー照射手段から照射されたレーザー光は、平面ループギャップ共振器１００の裏面側から、透過部５を介して量子磁気センサー６０に照射され、レーザー光で励起された後の量子磁気センサー６０の発光（蛍光）を透過部５を介して光検出手段で検出することができる。レーザー光を量子磁気センサー６０の裏面側に照射することで、測定対象６２がレーザー励起光（波長４９０～６００ｎｍ）や発光信号（波長６００ｎｍ～８００ｎｍ）を吸収してしまう場合でも、測定対象６２の核スピンの影響を受けたＮＶセンタの電子スピン状態を把握することができる。なお、第１の実施形態の平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の実施形態の平面ループギャップ共振器１０１～１０４のいずれを用いてもよい。
図８の量子センシングシステム２００において、レーザー照射手段（レーザー光源部５４、レーザー調整部５５及びレーザー走査部５６）から照射されたレーザー光（波長４９０ｎｍ～６００ｎｍ）を量子磁気センサー６０の表側に照射しているが、量子磁気センサー６０の裏面側に照射してもよい。例えば、図８において、レーザー照射手段を平面ループギャップ共振器１００の裏面側からレーザー光を照射できるように配置し、同様に光検出手段である光検出部５３を平面ループギャップ共振器１００の裏面側から光を検出できるように配置する。このように配置することで、レーザー照射手段から照射されたレーザー光は、平面ループギャップ共振器１００の裏面側から、透過部５を介して量子磁気センサー６０に照射され、レーザー光で励起された後の量子磁気センサー６０の発光（蛍光）を透過部５を介して光検出手段で検出することができる。レーザー光を量子磁気センサー６０の裏面側に照射することで、測定対象６２がレーザー励起光（波長４９０～６００ｎｍ）や発光信号（波長６００ｎｍ～８００ｎｍ）を吸収してしまう場合でも、測定対象６２の核スピンの影響を受けたＮＶセンタの電子スピン状態を把握することができる。なお、第１の実施形態の平面ループギャップ共振器１００の代わりに、第２～第５の実施形態の平面ループギャップ共振器１０１～１０４のいずれを用いてもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 絶縁基板
１Ａ 第１面
１Ｂ 第２面
２、２Ａ ループ部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 延在部３
４ 導体膜４
５ 透過部５
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 給電側静電結合部
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 共振器側静電結合部
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ 突出部
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 他の突出部
１０ 連続ギャップ部
１１、１２，１３ ループ部ギャップ
２０ 付加延在部
５０ 制御部
５１ タイミング制御部
５２ データ収集部
５３ 光検出部
５４ レーザー光源部
５５ レーザー調整部
５６ レーザー走査部
５７ 光学系システム
５８ マイクロ波発生部
５９ マイクロ波パルス生成部
６０ 量子磁気センサー
６１ 磁石
１００、１０１、１０２、１０３、１０４ 平面ループギャップ共振器
２００ 量子センシングシステム
１Ａ 第１面
１Ｂ 第２面
２、２Ａ ループ部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 延在部３
４ 導体膜４
５ 透過部５
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 給電側静電結合部
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 共振器側静電結合部
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ 突出部
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 他の突出部
１０ 連続ギャップ部
１１、１２，１３ ループ部ギャップ
２０ 付加延在部
５０ 制御部
５１ タイミング制御部
５２ データ収集部
５３ 光検出部
５４ レーザー光源部
５５ レーザー調整部
５６ レーザー走査部
５７ 光学系システム
５８ マイクロ波発生部
５９ マイクロ波パルス生成部
６０ 量子磁気センサー
６１ 磁石
１００、１０１、１０２、１０３、１０４ 平面ループギャップ共振器
２００ 量子センシングシステム
Claims (13)
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板の第１面に形成されたループ部と、
前記ループ部から給電側に延びる延在部と、
前記絶縁基板の第２面を覆う導体膜と、
を備え、
前記延在部が、給電側静電結合部と、その給電側静電結合部と静電結合を形成する共振器側静電結合部とを有し、
前記共振器側静電結合部は、前記給電側静電結合部の突出部と離隔しつつ互い違いに対向して配置された他の突出部を有する、平面ループギャップ共振器。 - 前記ループ部の一部、及び、前記延在部の一部を切断し、前記ループ部側から前記延在部側に連続する、連続ギャップ部を備える請求項１に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記ループ部は、前記連続ギャップ部以外にも、その一部を切断する１つ以上のループ部ギャッブを備える、請求項２に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記共振器側静電結合部と前記給電側静電結合部との静電容量が２０～６５ｆＦである請求項１～３のいずれか1項に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記給電側静電結合部は複数の突出部を有し、前記共振器側静電結合部は複数の他の突出部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記突出部が櫛歯構造である、請求項１～５のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器。
- 共鳴周波数が２～１０ＧＨｚである、請求項１～６のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記ループ部に囲まれるように配置し、前記絶縁基板の厚み方向に光を透過する透過部をさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記透過部が前記絶縁基板及び前記導体膜を貫通する孔である、請求項８に記載の平面ループギャップ共振器。
- 前記透過部は、前記絶縁基板が光透過性材料からなる、請求項８記載の平面ループギャップ共振器。
- 請求項１～１０のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器と、
量子磁気センサーと、
レーザー照射手段と、
前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を検出する光検出手段と、
を備える、量子センシングシステム。 - 請求項８～１０のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器と、
量子磁気センサーと、
レーザー照射手段と、
前記平面ループギャップ共振器から測定対象および前記量子磁気センサーに振動磁場を印加するとともに、前記レーザー照射手段により前記平面ループギャップ共振器の裏面側から前記透過部を介して前記量子磁気センサーにレーザー光を照射して、該量子磁気センサーの発光を該透過部を介して検出する光検出手段と、
を備える、量子センシングシステム。 - 請求項１～１０のいずれか１項に記載の平面ループギャップ共振器と、
量子磁気センサーと、を備える、量子磁気センサーユニット。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2020052774A JP7327808B2 (ja) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム及び量子磁気センサーユニット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020052774A JP7327808B2 (ja) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム及び量子磁気センサーユニット |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021152473A JP2021152473A (ja) | 2021-09-30 |
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ID=77886417
Family Applications (1)
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| JP2020052774A Active JP7327808B2 (ja) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 平面ループギャップ共振器、量子センシングシステム及び量子磁気センサーユニット |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP7327808B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JPH07333310A (ja) * | 1994-06-10 | 1995-12-22 | Junkosha Co Ltd | ループギャップ共振器及びその組合せ構造 |
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-
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- 2020-03-24 JP JP2020052774A patent/JP7327808B2/ja active Active
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