JP7384399B2 - Measuring device and method - Google Patents
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Description
本発明は、量子センサを用いる測定装置および測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring device and a measuring method using a quantum sensor.
ダイヤモンドの結晶構造において、窒素-空孔中心と呼ばれる複合欠陥が見られることがある。この窒素-空孔中心は、結晶格子の炭素原子の位置に置き換わる形で入った窒素原子と、その窒素原子の隣接位置に存在する(炭素原子が抜けている)空孔との対からなるもので、NV中心(Nitrogen Vacancy center)とも呼ばれている。ダイヤモンドの結晶構造には、NV中心以外にも、珪素-空孔中心(Silicon Vacancy center)と呼ばれる複合欠陥や、ゲルマニウム-空孔中心(Germanium Vacancy center)と呼ばれる複合欠陥が見られることがあり、NV中心を含むこれら複合欠陥は、色中心と呼ばれている。 Complex defects called nitrogen-vacancy centers are sometimes found in the crystal structure of diamond. This nitrogen-vacancy center consists of a pair of a nitrogen atom that replaces a carbon atom in the crystal lattice, and a vacancy that is located adjacent to the nitrogen atom (without a carbon atom). It is also called the NV center (Nitrogen Vacancy center). In the crystal structure of diamond, in addition to NV centers, complex defects called silicon vacancy centers and germanium vacancy centers can be found. These complex defects containing NV centers are called color centers.
NV中心は、空孔に電子が捕獲された状態(負電荷状態、以下「NV-」と呼ぶ)においては、電子スピンと呼ばれる磁気的な性質を示す。このNV-は、電子が捕獲されていない状態(中性状態、以下「NV0」と呼ぶ)に比べて、長い横緩和時間(デコヒーレンス時間、以下「T2」と呼ぶ)を示す。つまり、NV-の電子スピン状態は、外部磁場の縦方向(以下、「量子化軸」と呼ぶ)に揃えた電子スピンの磁化を横方向に傾けた後、個々のスピンの歳差運動が原因となり個々の向きがずれていって、全体としての横磁化が消失するまでの時間が長い。また、NV-は、室温(約300K)下であっても長いT2値を示す。 The NV center exhibits a magnetic property called electron spin in a state in which electrons are captured in vacancies (negatively charged state, hereinafter referred to as "NV - "). This NV − exhibits a longer transverse relaxation time (decoherence time, hereinafter referred to as “T 2 ”) compared to a state in which no electrons are captured (neutral state, hereinafter referred to as “NV 0 ”). In other words, the NV - electron spin state is caused by the precession of individual spins after horizontally tilting the magnetization of the electron spins aligned in the vertical direction of the external magnetic field (hereinafter referred to as the "quantization axis"). As a result, the individual orientations shift, and it takes a long time for the transverse magnetization as a whole to disappear. Furthermore, NV − exhibits a long T 2 value even at room temperature (approximately 300 K).
NV-の電子スピン状態は外部の磁場に反応して変化し、この電子スピン状態の測定も室温下で可能であるため、NV中心を含むダイヤモンドは、磁場センサ素子の材料として利用できる。 The electron spin state of NV − changes in response to an external magnetic field, and this electron spin state can be measured at room temperature, so diamond containing an NV center can be used as a material for a magnetic field sensor element.
例えば特許文献1には、ダイヤモンド中の電子スピンに対する光検出磁気共鳴(Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR)法により、交流磁場を測定する方法が開示されている。NV中心はレーザ光により励起され、NV中心から放出される蛍光強度の変化を測定することにより、スピン状態に関する磁気共鳴信号(位相情報)が検出される。
For example,
例えば非特許文献1および非特許文献2には、ダイヤモンド中の電子スピンに対する電気検出磁気共鳴(Electrically Detected Magnetic Resonance: EDMR)法が開示されている。NV中心はレーザ光により励起され、スピン状態に依存した光電流が生成される。この光電流は、スピン状態に依存した励起状態の寿命の違いにより生成されている。NV中心を含むダイヤモンドの表面には、例えば櫛歯状の測定電極が配置されており、励起光の照射によりNV中心に生じる光電流の変化は、測定電極を通じて電気的に測定される。これにより、スピン状態に関する磁気共鳴信号(位相情報)が電気的に検出される。
For example, Non-Patent
磁場センサ素子として利用されているセンサには、ダイヤモンドの色中心を用いたセンサ以外にも、例えば炭化ケイ素(SiC)中の色中心を用いたセンサや、光ポンピング磁力計(optically pumped atomic magnetometer, OPM)、超伝導量子干渉計(superconducting quantum interference device, SQUID)等の種々の種類が存在する。これらダイヤモンドの色中心、炭化ケイ素の色中心、光ポンピング磁力計、および超伝導量子干渉計は、量子効果を利用して物理量を計測していることから、量子センサと呼ばれている。 In addition to sensors using diamond color centers, sensors used as magnetic field sensor elements include, for example, sensors using color centers in silicon carbide (SiC), and optically pumped atomic magnetometers. There are various types such as OPM), superconducting quantum interference device (SQUID), etc. These diamond color centers, silicon carbide color centers, optically pumped magnetometers, and superconducting quantum interferometers are called quantum sensors because they measure physical quantities using quantum effects.
NV中心のスピン状態に関する信号を電気的に検出するためには、測定電極にバイアス電圧を印加する必要がある。しかしながら、バイアス電圧を印加することにより発生する電場によってNV中心のスピン状態が影響を受け、センサの感度が低下するという問題がある。 In order to electrically detect a signal related to the spin state of the NV center, it is necessary to apply a bias voltage to the measurement electrode. However, there is a problem in that the spin state of the NV center is affected by the electric field generated by applying a bias voltage, and the sensitivity of the sensor is reduced.
本発明は、量子センサを用いる測定において、測定感度を向上させることを目的とする。 The present invention aims to improve measurement sensitivity in measurements using quantum sensors.
上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
測定対象との相互作用によりスピン状態が変化する量子センサ素子と、
前記量子センサ素子を間に挟むように配置される一対の測定電極と、
前記量子センサ素子の前記スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、前記量子センサ素子に照射する電磁波照射部と、
前記スピン状態の変化に基づいて、前記測定対象の物理量を算出する物理量測定部と、
を備え、
前記量子センサ素子に印加される電界強度はゼロ以上130V/cm未満である、測定装置。
(項2)
前記電界強度はゼロである、項1に記載の測定装置。
(項3)
前記物理量測定部は、
前記量子センサ素子の前記スピン状態を初期化するための光を、前記量子センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる光電流の変化を、前記スピン状態の変化として、前記測定電極を通じて検出する検出部と、
を備える、項1または2に記載の測定装置。
(項4)
前記物理量測定部は、
検出された前記光電流の変化から前記スピン状態の位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するデータ処理部をさらに備える、項3に記載の測定装置。
(項5)
前記量子センサ素子は、色中心を有するセンサ素子である、項1から4のいずれか一項に記載の測定装置。
(項6)
前記色中心は、炭素原子を置換した窒素(N)と前記窒素に隣接する空孔(V)との複合体である、項5に記載の測定装置。
(項7)
前記物理量測定部は、スピンとの相互作用に関連する前記物理量として、磁場、電場、温度および力学量のうち、少なくとも一つを算出する、項1から6のいずれか一項に記載の測定装置。
(項8)
測定対象との相互作用によりスピン状態が変化する、一対の測定電極間に配置される量子センサ素子に、ゼロ以上130V/cm未満の強度の電界を印加するステップと、
前記量子センサ素子の前記スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、前記量子センサ素子に照射するステップと、
前記スピン状態の変化に基づいて、前記測定対象の物理量を算出するステップと、
を含む、測定方法。
(項9)
前記物理量を算出するステップは、
前記量子センサ素子の前記スピン状態を初期化するための光を、前記量子センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる光電流の変化を、前記スピン状態の変化として、前記測定電極を通じて検出するステップと、
を含む、項8に記載の測定方法。
(項10)
前記物理量を算出するステップは、
検出された前記光電流の変化から前記スピン状態の位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するステップをさらに含む、項9に記載の測定方法。
The present invention for achieving the above object includes, for example, the following embodiments.
(Section 1)
A quantum sensor element whose spin state changes due to interaction with the measurement target,
a pair of measurement electrodes arranged with the quantum sensor element sandwiched therebetween;
an electromagnetic wave irradiation unit that irradiates the quantum sensor element with electromagnetic waves for manipulating the spin state of the quantum sensor element by magnetic resonance;
a physical quantity measurement unit that calculates the physical quantity of the measurement target based on the change in the spin state;
Equipped with
The measuring device, wherein the electric field strength applied to the quantum sensor element is greater than or equal to zero and less than 130 V/cm.
(Section 2)
(Section 3)
The physical quantity measuring section includes:
a light irradiation unit that irradiates the quantum sensor element with light for initializing the spin state of the quantum sensor element;
a detection unit that detects a change in photocurrent generated in the quantum sensor element by the irradiation of the light as a change in the spin state through the measurement electrode;
(Section 4)
The physical quantity measuring section includes:
4. The measuring device according to
(Section 5)
5. The measuring device according to any one of
(Section 6)
6. The measuring device according to
(Section 7)
7. The measuring device according to any one of
(Section 8)
Applying an electric field with an intensity of zero or more and less than 130 V/cm to a quantum sensor element disposed between a pair of measurement electrodes whose spin state changes due to interaction with a measurement target;
irradiating the quantum sensor element with electromagnetic waves for manipulating the spin state of the quantum sensor element by magnetic resonance;
calculating a physical quantity of the measurement target based on the change in the spin state;
including measurement methods.
(Section 9)
The step of calculating the physical quantity includes:
irradiating the quantum sensor element with light for initializing the spin state of the quantum sensor element;
Detecting a change in photocurrent generated in the quantum sensor element by the irradiation of the light as a change in the spin state through the measurement electrode;
The measuring method according to
(Section 10)
The step of calculating the physical quantity includes:
10. The measuring method according to
本発明によると、量子センサを用いる測定において、測定感度を向上させることができる。 According to the present invention, measurement sensitivity can be improved in measurements using quantum sensors.
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that in the following description and drawings, the same reference numerals indicate the same or similar components, and therefore, redundant description of the same or similar components will be omitted.
なお、本明細書において、物理量(physical quantity)とは、物理学における一定の体系の下で次元が確定し、定められた物理単位の倍数として表すことができる量を意味する。物理量の一例としては、例えば、磁場、電場、温度および力学量(力学的なストレス、圧力等)が挙げられる。磁場、電場および力学量は、時間と共に変化しない物理量と、時間と共に方向が変化を繰り返す物理量とを含む。すなわち、磁場は、静磁場および交流磁場を含み、電場は、静電場および交流電場を含み、力学量は、静的な力学量および交流力学量を含む。
[発明の要点]
Note that in this specification, a physical quantity means a quantity whose dimensions are determined under a certain system in physics and which can be expressed as a multiple of a specified physical unit. Examples of physical quantities include, for example, magnetic fields, electric fields, temperature, and mechanical quantities (mechanical stress, pressure, etc.). The magnetic field, electric field, and mechanical quantities include physical quantities that do not change over time and physical quantities that repeatedly change direction over time. That is, the magnetic field includes a static magnetic field and an alternating magnetic field, the electric field includes a static electric field and an alternating electric field, and the mechanical quantity includes a static mechanical quantity and an alternating mechanical quantity.
[Key points of the invention]
本発明では、測定電極に印加するバイアス電圧を可能な限り低くすることにより、色中心のスピン状態が感じる電場の影響を可能な限り低減する。これにより、バイアス電圧を印加することにより発生する電場による、色中心のスピン状態への影響は、可能な限り低減され、測定感度の向上が達成される。測定電極に印加するバイアス電圧は、好ましくは概ねゼロとすることができ、より好ましくはゼロとすることができる。 In the present invention, by reducing the bias voltage applied to the measurement electrode as low as possible, the influence of the electric field felt by the spin state of the color center is reduced as much as possible. As a result, the influence of the electric field generated by applying a bias voltage on the spin state of the color center is reduced as much as possible, and improvement in measurement sensitivity is achieved. The bias voltage applied to the measurement electrode can preferably be approximately zero, more preferably zero.
一例として、色中心としてダイヤモンド中のNV中心を用いて磁場センサを構成し、測定対象から生じる磁場の強度を電気検出磁気共鳴(EDMR)法により測定しようとする場合を例示する。電気検出磁気共鳴法によりスピン状態に関する磁気共鳴信号を電気的に検出する場合は、通常は測定電極にバイアス電圧を印加する。バイアス電圧が印加されると、測定電極の周囲には電場が発生する。NV中心のスピン状態は、電場との相互作用により、電場を感じると影響を受ける。 As an example, a case will be exemplified in which a magnetic field sensor is constructed using an NV center in a diamond as a color center, and the intensity of a magnetic field generated from a measurement object is to be measured by electric detection magnetic resonance (EDMR) method. When electrically detecting magnetic resonance signals related to spin states by electrical detection magnetic resonance, a bias voltage is usually applied to the measurement electrodes. When a bias voltage is applied, an electric field is generated around the measurement electrode. The spin state of the NV center is affected by the interaction with the electric field when it senses the electric field.
この点について、図8を参照して説明するように、NV中心のスピン状態が電場による影響を受けている状態では、測定電極の周囲に発生する電場の影響により、測定対象の磁場の強度が低くなればなるほど、ゼーマン分裂に対する感度が低下し、測定感度が低下するという問題がある。 Regarding this point, as will be explained with reference to FIG. 8, when the spin state at the center of the NV is affected by the electric field, the strength of the magnetic field of the measurement target will increase due to the influence of the electric field generated around the measurement electrode. There is a problem that the lower the value, the lower the sensitivity to Zeeman splitting, and the lower the measurement sensitivity.
図8は、NV中心の電子スピンが磁場および電場により受けるエネルギー準位の変化を説明するための模式図である。電場による影響が大きい状態を(A)に示し、電場による影響が少ない状態を(B)に示す。 FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the change in energy level that the electron spin at the NV center undergoes due to the magnetic field and electric field. (A) shows a state where the influence of the electric field is large, and (B) shows a state where the influence of the electric field is small.
(A)に示すように、電場の強度が高く電場による影響が大きい状態では、測定対象の磁場の強度が低下してもゼーマン分裂による分裂の程度はさほど変化しない。磁場強度の変化ΔBzに対するエネルギー準位の揺らぎの大きさΔωも比較的小さい。 As shown in (A), in a state where the electric field strength is high and the influence of the electric field is large, the degree of splitting due to Zeeman splitting does not change much even if the strength of the magnetic field of the measurement target decreases. The magnitude of the energy level fluctuation Δω with respect to the change in magnetic field strength ΔB z is also relatively small.
これに対し、(B)に示すように、測定電極の周囲に発生している電場の強度が低く電場による影響が少ない状態では、測定対象の磁場の強度が低下するとゼーマン分裂による分裂の程度も大きく変化する。磁場強度の変化ΔBzに対するエネルギー準位の揺らぎの大きさΔωも比較的大きく、磁場に対する感度は、(A)に示す電場による影響が大きい状態と比較しても良好に保たれている。 On the other hand, as shown in (B), when the strength of the electric field generated around the measurement electrode is low and the influence of the electric field is small, as the strength of the magnetic field of the measurement target decreases, the degree of splitting due to Zeeman splitting also decreases. Changes greatly. The magnitude of the energy level fluctuation Δω with respect to the change in magnetic field strength ΔB z is also relatively large, and the sensitivity to the magnetic field is maintained well compared to the state shown in (A) where the influence of the electric field is large.
電場の影響により測定対象の磁場の感度が低下することは、スピンハミルトニアンHgsからも説明することができる。ハミルトニアンHgsから、NV中心の磁気共鳴周波数の磁場Bおよび電場Eによる変化は、或る条件
この式は、印加電場がゼロであるときは、共鳴周波数が磁場強度の変化に対して線形に変化することを示している。その一方、印加電場が印加磁場よりも強い時は、共鳴周波数が磁場強度の変化に対してほぼ変化しないこと、つまり、電場の影響によって磁場の感度が劣化していることを示している。 This equation shows that when the applied electric field is zero, the resonant frequency changes linearly with changes in magnetic field strength. On the other hand, when the applied electric field is stronger than the applied magnetic field, the resonant frequency hardly changes with changes in the magnetic field strength, indicating that the sensitivity of the magnetic field is degraded by the influence of the electric field.
本発明によると、測定電極に印加するバイアス電圧を可能な限り低くすることにより、測定電極の周囲に発生する電場の強度を可能な限り低くする。これにより、NV中心のスピン状態が感じる電場の影響は可能な限り低減され、測定感度の向上が達成される。
[装置構成]
According to the invention, the bias voltage applied to the measurement electrode is made as low as possible, thereby making the strength of the electric field generated around the measurement electrode as low as possible. As a result, the influence of the electric field felt by the spin state at the NV center is reduced as much as possible, and improvement in measurement sensitivity is achieved.
[Device configuration]
本発明の一実施形態では、測定対象の物理量の一例として、測定対象から発生している磁場の強度を測定する場合について説明する。 In one embodiment of the present invention, a case will be described in which the intensity of a magnetic field generated from a measurement target is measured as an example of a physical quantity to be measured.
図1は、本発明の一実施形態に係る測定装置10の概略的な構成を模式的に示す図である。図2は、図1に示す測定装置10の具体的な構成の一例を模式的に示す図である。図3は、図2に示すダイヤモンドの結晶12上のセンサ素子1を含む領域Rの拡大図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the general configuration of a measuring
測定装置10は、センサ素子1と、一対の測定電極13(13a,13b)と、電磁波照射部2と、物理量測定部3とを備える。センサ素子1および測定電極13は、本実施形態では、測定装置10のプローブ11の先端に取り付けられている。
The measuring
センサ素子1は量子センサの素子である。本実施形態では、センサ素子1は、色中心を有しているダイヤモンドの結晶であり、色中心としてNV中心を用いる。NV中心は、炭素原子を置換した窒素(N)と、窒素に隣接する空孔(V)との複合体(複合欠陥)である。本実施形態では、センサ素子1は、ダイヤモンドの結晶12上の所定の領域内に、公知の方法により予め生成されている。例示的には、領域内には、概ね数千個のオーダの(濃度:~1×1012/cm-3)複数のセンサ素子1が生成されている。本実施形態では、センサ素子1はアンサンブルNV中心である。
The
センサ素子1の電子スピン状態は、測定対象9との相互作用8により変化を受ける。本実施形態では、相互作用8は磁場による相互作用である。相互作用8が磁場による場合には、センサ素子1の色中心の電子スピン状態は、測定対象9から発生している磁場の強度に応じた状態となる。
The electron spin state of the
一対の測定電極13(13a,13b)は、センサ素子1に生じる電気的な変化を検出するための電極である。一対の測定電極13は、センサ素子1を間に挟むように配置される。例示的には、一対の測定電極13a,13b間のギャップの最小距離dは約2μmである。測定電極13は、例えばリソグラフィ技術により、導電性を有する金属を用いてダイヤモンドの結晶12上に形成されている。
A pair of measurement electrodes 13 (13a, 13b) are electrodes for detecting electrical changes occurring in the
図3に例示する構成では、センサ素子1は、一対の測定電極13a,13b間の略中央の位置に配置されている。センサ素子1に生じる電気的な変化を効率的に検出するためには、好ましくは、センサ素子1は、一対の測定電極13a,13b間の略中央から、いずれか一方の測定電極13側へオフセットした位置に配置することができる。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the
電磁波照射部2は、センサ素子1の電子スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、センサ素子1に照射する。一例として、本実施形態では、電磁波照射部2は、公知のマイクロ波(microwave, MW)発振器21と、電磁波をパルス化した形式で照射するスイッチ22と、増幅器23とを備えている。スイッチ22および増幅器23は任意の構成とすることができる。本実施形態では、電磁波照射部2は、センサ素子1の電子スピン状態を操作するための電磁波を、パルス化された形式でセンサ素子1に照射する。
The electromagnetic
電磁波照射部2がセンサ素子1に照射する電磁波のパルスシーケンスには、磁気共鳴を生じさせるための種々のパルスシーケンスを用いることができる。例えば交流磁場をセンシングする場合には、電磁波照射部2は、スピンエコー法のハーンエコー法に基づくパルスシーケンスにて、電磁波をセンサ素子1に照射する。また、例えば静磁場をセンシングする場合には、電磁波照射部2は、スピンエコー法のラムゼー法に基づくパルスシーケンスにて、電磁波をセンサ素子1に照射する。
Various pulse sequences for causing magnetic resonance can be used as the pulse sequence of the electromagnetic waves that the electromagnetic
電磁波照射部2は、センサ素子1の近傍に配置された電磁波照射用のアンテナ14を通じて、電磁波をセンサ素子1に照射する。アンテナ14は、例えばリソグラフィ技術により、導電性を有する金属を用いてダイヤモンドの結晶12上に形成されている。
The electromagnetic
物理量測定部3は、測定対象9との相互作用により変化した後の、センサ素子1の電子スピン状態の変化に基づいて、測定対象9の物理量を算出する。本実施形態では、物理量測定部3は、測定対象9から発生している磁場の強度を算出する。物理量測定部3は、光照射部31と、電圧印加部32と、検出部33と、データ処理部34とを備える。
The physical
光照射部31は、センサ素子1の電子スピン状態を初期化するための光をセンサ素子1に照射する。一例として、本実施形態では、光照射部31は、光源311と、音響光学変調素子(Acoustic Optical Modulator: AOM)312と、対物レンズ313とを備えている。音響光学変調素子312および対物レンズ313は任意の構成とすることができる。
The
光源311は、センサ素子1の電子スピン状態を励起し初期化するための光を放出する。光源311が放出する光の波長は、センサ素子1の種類に応じて決定されている。本実施形態では、光源311は波長が532nm(緑色)のレーザ光を放出する。光源311には、例えば種々の公知のレーザ発生装置を用いることができる。本実施形態では、光源311は、緑色レーザ光を放出する半導体レーザである。
The
対物レンズ313は、光源311から放たれる光を集光して、ダイヤモンドの結晶12上のセンサ素子1が生成されている領域へ照射する。例示的には、ダイヤモンドの結晶12上に集光されるレーザ光のスポットサイズは、直径が約2μmである。レーザ光のスポットサイズが縮小するほど、単位面積あたりのレーザ光の強度は増大し、ダイヤモンドの導電帯において生成される光電流の効率も増大する。
The
図3に例示する構成では、レーザ光のスポットは、ダイヤモンドの結晶12上のセンサ素子1が生成されている領域を覆うように、一対の測定電極13a,13b間の略中央の位置に配置されている。好ましくは、レーザ光のスポットは、一対の測定電極13a,13b間の略中央から、いずれか一方の測定電極13側へオフセットした位置に配置することができる。
In the configuration illustrated in FIG. 3, the laser beam spot is placed approximately at the center between the pair of
電圧印加部32は、一対の測定電極13(13a,13b)間にバイアス電圧を印加することにより、測定電極13を通じてセンサ素子1に電界を印加する。センサ素子1に印加される電界強度は、好ましくは概ねゼロであり、より好ましくはゼロである。電界強度を概ねゼロとする場合、電圧印加部32がセンサ素子1に印加する電界強度は、例えばゼロ以上130V/cm未満の範囲とすることができる。センサ素子1に印加する電界強度をゼロとする場合、電圧印加部32は省略することができる。
The
検出部33は、センサ素子1に生じる光電流の変化を、センサ素子1の電子スピン状態の変化として検出する。本実施形態では、検出部33は、公知の電気検出磁気共鳴法に基づいて、光の照射によってセンサ素子1に生じる光電流の変化を測定電極13を通じて検出することにより、磁気共鳴の信号を電気的に検出する。例示的には、検出部33には、例えば公知のロックイン・アンプまたは電流計を用いることができる。
The
データ処理部34は、検出部33と接続され、検出部33にて検出された光電流の変化から、測定対象9と相互作用した後のセンサ素子1の電子スピン状態の位相情報を読み出し、読み出した位相情報に基づいて測定対象9の物理量を算出する。本実施形態では、データ処理部34は、測定対象9から発生している磁場の強度を算出する。データ処理部34には、例えば公知の汎用コンピュータや、スマートフォン等の種々の情報端末装置を用いることができる。
The
データ処理部34は、測定装置10と一体化されて構成されていてもよいし、または図示するように、測定装置10の外部に設けられて、ネットワーク99を介して測定装置10と接続されていてもよい。
[測定原理]
The
[Measurement principle]
<電気検出磁気共鳴法に基づく磁気共鳴信号の検出原理>
図4は、ダイヤモンドのNV-中心における電子のエネルギー準位を模式的に示す図である。図4を参照して、ダイヤモンド中の電子スピンに対する電気検出磁気共鳴法に基づく、磁気共鳴信号の検出原理について説明する。
<Detection principle of magnetic resonance signals based on electric detection magnetic resonance method>
FIG. 4 is a diagram schematically showing the energy level of electrons at the NV − center of diamond. Referring to FIG. 4, the principle of detecting magnetic resonance signals based on the electric detection magnetic resonance method for electron spins in diamond will be described.
本実施形態では、センサ素子1としてダイヤモンドのNV中心を用いる。NV中心における電子のエネルギーは、基底状態3A2においては|0>および|±1>のスピン三重項(磁気量子数ms=-1,0,+1)状態であり、室温における定常状態では、基底状態において全ての準位は等しく分布している。
In this embodiment, the NV center of a diamond is used as the
基底状態3A2にある|0>の電子は、波長が532nm(緑色)のレーザ光を照射されると励起状態3Eの|0>へと遷移し、赤色の蛍光PLを放出して、基底状態3A2の|0>へ緩和する。光検出磁気共鳴(ODMR)法では、この赤色の蛍光強度が低下した点として、磁気共鳴信号を検出している。 When |0> electrons in ground state 3 A 2 are irradiated with laser light with a wavelength of 532 nm (green), they transition to excited state 3 E |0>, emitting red fluorescence PL, Ground state 3 A relaxes to |0> of 2 . In the optical detection magnetic resonance (ODMR) method, magnetic resonance signals are detected as points where the red fluorescence intensity decreases.
励起状態3Eにある|0>の電子は、蛍光PLを放出して基底状態3A2の|0>へ緩和する前に、緑色レーザ光の照射によりさらに励起されることができる。励起された電子はダイヤモンドの導電帯(Conduction Band)へと到達し、導電帯において光電流が生成される。電気検出磁気共鳴(EDMR)法では、この生成される光電流の変化として、磁気共鳴信号を検出している。 |0> electrons in excited state 3 E can be further excited by green laser light irradiation before emitting fluorescent PL and relaxing to |0> in ground state 3 A 2 . The excited electrons reach the diamond's conduction band, where a photocurrent is generated. In electrical detection magnetic resonance (EDMR), a magnetic resonance signal is detected as a change in this generated photocurrent.
ダイヤモンドのNV中心については、励起状態3Eにある電子は、スピンが|0>の状態と|±1>の状態とで、基底状態3A2への緩和過程がそれぞれ異なるという性質がある。具体的には、励起状態3Eにある|0>の電子は、蛍光PLを放出して基底状態3A2の|0>へ緩和する。これに対し、励起状態3Eにある|±1>の電子は、非輻射過程を通じて準安定(meta stable)状態1Eへと遷移し、蛍光PLを放出することなく基底状態3A2の|0>へ緩和する。この性質を利用することにより、NV中心に緑色レーザ光を照射し続けると、基底状態3A2のスピンの状態は|0>に偏極される(NV中心を初期化する、とも呼ぶ)。 Regarding the NV center of diamond, an electron in the excited state 3 E has a property that the relaxation process to the ground state 3 A 2 is different depending on whether the spin is |0> or |±1>. Specifically, |0> electrons in the excited state 3 E emit fluorescence PL and relax to |0> in the ground state 3 A 2 . On the other hand, the |±1> electron in the excited state 3 E transitions to the meta stable state 1 E through a non-radiative process and returns to the ground state 3 A 2 | without emitting fluorescence PL. Relax to 0>. By utilizing this property, when the NV center is continuously irradiated with green laser light, the spin state of the ground state 3 A 2 is polarized to |0> (also referred to as initializing the NV center).
基底状態3A2のスピンの状態が|0>に偏極されているこのような状態では、スピンの状態が|0>に偏極しているので、比較的効率的に導電帯へ電子を励起することができ、導電帯において光電流が効率的に生成されている。 In such a state where the spin state of ground state 3 A 2 is polarized to |0>, the spin state is polarized to |0>, so electrons can be transferred to the conductive band relatively efficiently. can be excited and a photocurrent is efficiently generated in the conductive band.
このような状態において、共鳴周波数が約2.87GHzのマイクロ波(MW)をNV中心に照射すると、電子スピン共鳴(ESR)が生じ、|0>に偏極している基底状態3A2のスピンの状態は、基底状態3A2の|±1>へ遷移する。上述のように、基底状態3A2にある|±1>の電子は、緑色レーザ光の照射により励起状態3Eの|±1>へと遷移した後、非輻射過程を通じて基底状態3A2の|0>へ緩和する性質がある。よって、基底状態3A2においてスピンが|±1>の状態は、スピンが|0>の状態と比較して、導電帯において生成される光電流の生成効率が低下する。 In this state, when microwaves (MW) with a resonance frequency of about 2.87 GHz are irradiated to the center of the NV, electron spin resonance (ESR) occurs, and the ground state 3 A 2 , which is polarized to |0>, The spin state transitions to |±1> of the ground state 3 A 2 . As mentioned above, the |±1> electron in the ground state 3 A 2 transitions to the excited state 3 E |±1> by irradiation with green laser light, and then returns to the ground state 3 A 2 through a non-radiative process. has the property of relaxing to |0>. Therefore, in the state where the spin is |±1> in the ground state 3 A 2 , the generation efficiency of photocurrent generated in the conductive band is lower than in the state where the spin is |0>.
このように、基底状態3A2においてスピンが|0>の状態とスピンが|±1>の状態とでは、レーザ光の照射により励起された後に生じる、基底状態3A2への緩和過程が異なっている。さらに磁気共鳴を生じさせると、基底状態3A2においてスピンが|0>の状態とスピンが|±1>の状態との割合も変化する。この割合の変化は磁気共鳴に対応している。よって、生成される光電流の変化を計測することにより、磁気共鳴信号を電気的に測定することができる。 In this way, in the state where the spin is |0> in the ground state 3 A 2 and the state where the spin is |±1>, the relaxation process to the ground state 3 A 2 that occurs after being excited by laser light irradiation is It's different. Further, when magnetic resonance is generated, the ratio of the state in which the spin is |0> and the state in which the spin is |±1> in the ground state 3 A 2 also changes. This change in proportion corresponds to magnetic resonance. Therefore, magnetic resonance signals can be electrically measured by measuring changes in the generated photocurrent.
<測定対象の物理量を算出する方法>
電気検出磁気共鳴(EDMR)法では、測定対象9と相互作用した後のセンサ素子1の電子スピン状態の位相情報(磁気共鳴信号)は、光電流の変化として検出される。検出した位相情報は、測定対象の物理量に応じた状態となっている。よって、検出した相互作用後の電子スピン状態の位相情報を適切にデータ処理することにより、測定対象の物理量を算出することができる。測定対象の物理量は、電子スピンのハミルトニアンに基づいて算出することができる。
<Method of calculating the physical quantity of the measurement target>
In the electrical detection magnetic resonance (EDMR) method, phase information (magnetic resonance signal) of the electron spin state of the
電子スピンのハミルトニアンHgsは、以下の式で表される。
ここで、μBはボーア磁子であり、geは電子のg因子であり、hはプランク定数である。ベクトルSは電子スピンである。ベクトルBは印加磁場である。Dgsは零磁場分裂定数である。Sx,Sy,Szはそれぞれ、電子スピンSのx,y,z方向成分である。dgs ⊥は、電気双極子モーメントである。Ex,Eyはそれぞれ、電場のx,y方向成分である。 Here, μ B is the Bohr magneton, g e is the g-factor of the electron, and h is Planck's constant. Vector S is the electron spin. Vector B is the applied magnetic field. D gs is the zero field splitting constant. S x , S y , and S z are components of the electron spin S in the x, y, and z directions, respectively. d gs ⊥ is the electric dipole moment. E x and E y are the x- and y-direction components of the electric field, respectively.
1番目の項
2番目の項および3番目の項は、双極子相互作用(すなわち、スピン間相互作用)による項である。2番目の項
よって、磁場の強度は、1番目の項に基づいて算出することができる。温度および力学量の強度は、2番目の項に基づいて算出することができる。電場の強度は、3番目の項に基づいて算出することができる。
[測定手順]
Therefore, the strength of the magnetic field can be calculated based on the first term. The temperature and the strength of the mechanical quantity can be calculated based on the second term. The strength of the electric field can be calculated based on the third term.
[Measurement procedure]
図5は、本発明の一実施形態に係る測定方法の手順を示すフローチャートである。図5および図2を参照して、磁場をセンシングする場合の手順を説明する。 FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of a measuring method according to an embodiment of the present invention. The procedure for sensing a magnetic field will be described with reference to FIGS. 5 and 2.
なお、以下に例示する手順では、NV中心の電子スピンは、一連の測定を行う前および測定を行う間に、測定対象9の磁場と相互作用しているものとする。十分な時間の間相互作用をさせることにより、NV中心の電子スピン状態は、磁場の強度に応じた状態となっている。
In the procedure illustrated below, it is assumed that the electron spin at the center of the NV interacts with the magnetic field of the
ステップS1において、低い強度の電界をセンサ素子1に印加する。センサ素子1は一対の測定電極13(13a,13b)間に配置されている。電界は、電圧印加部32を用いて一対の測定電極13間にバイアス電圧を印加することにより生成する。生成した電界は、測定電極13を通じてセンサ素子1に印加する。
In step S1, a low intensity electric field is applied to the
センサ素子1に印加する低い電界強度は、好ましくは概ねゼロであり、より好ましくはゼロである。電界強度を概ねゼロとする場合、電圧印加部32がセンサ素子1に印加する電界強度は、例えばゼロ以上130V/cm未満の範囲とすることができる。センサ素子1に印加する電界強度をゼロとする場合、本ステップは省略することができる。
The low electric field strength applied to the
ステップS2において、センサ素子1にレーザ光を照射することにより、センサ素子1の色中心(NV中心)の電子スピンを初期化する。
In step S2, the electron spin at the color center (NV center) of the
ステップS3において、センサ素子1の電子スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、センサ素子1に照射する。センサ素子1の電子スピン状態を操作して磁気共鳴を生じさせることにより、センサ素子1において生成される光電流の生成効率は変化する。
In step S3, the
磁気共鳴を生じさせるための電磁波は、電磁波照射部2からセンサ素子1に照射する。電磁波照射部2は、測定対象の磁場に応じたパルスシーケンスにて電磁波を照射する。電磁波照射部2は、例えば交流磁場を測定する場合にはハーンエコー法に基づくパルスシーケンスにて、例えば静磁場を測定する場合にはラムゼー法に基づくパルスシーケンスにて、電磁波を照射する。
Electromagnetic waves for causing magnetic resonance are irradiated from the electromagnetic
ステップS4において、センサ素子1に生じる光電流(photo current)の変化を、センサ素子1の電子スピン状態の変化として検出する。光電流の変化は、検出部33を用いて、測定電極13を通じて電気的に検出する。検出した光電流の変化は、センサ素子1の電子スピン状態の変化として、データ処理部34に送信する。データ処理部34では、検出部33にて検出した光電流の変化から、測定対象9と相互作用した後のセンサ素子1の電子スピン状態の位相情報(磁気共鳴信号)を読み出して記録する。
In step S4, a change in photocurrent generated in the
ステップS5において、ステップS1~S4の一連の測定処理を、所定の回数繰り返し実行したか否かを判定する。一連の測定処理を所定の回数繰り返し実行している(ステップS5においてYes)場合は、ステップS6の処理を行い、所定の回数繰り返し実行していない(ステップS5においてNo)場合は、ステップS1~S4の一連の測定処理を実行する。例示的には、一連の測定処理を繰り返し実行する回数は約50万回以上である。 In step S5, it is determined whether the series of measurement processes in steps S1 to S4 has been repeatedly executed a predetermined number of times. If the series of measurement processes has been repeatedly executed a predetermined number of times (Yes in step S5), the process in step S6 is performed, and if the series of measurement processes have not been repeatedly executed a predetermined number of times (No in step S5), steps S1 to S4 are performed. Executes a series of measurement processes. Illustratively, the number of times the series of measurement processes is repeatedly executed is approximately 500,000 times or more.
なお、一連の測定処理を繰り返し実行すると信号強度が積算されるため、測定処理を繰り返し実行する回数が増大するほど、信号のS/N比も向上する。 Note that when a series of measurement processes is repeatedly performed, the signal strength is integrated, so the S/N ratio of the signal improves as the number of times the measurement process is repeatedly performed increases.
ステップS6において、測定対象の磁場の強度を算出する。測定対象の磁場の強度は、ステップS4において検出された光電流の変化から読み出した、センサ素子1の電子スピン状態の位相情報(磁気共鳴信号)の変化に基づいて算出する。検出部33にて検出した相互作用後のセンサ素子1の電子スピン状態の位相情報は、測定対象9の磁場に応じた状態となっている。よって、検出した相互作用後の電子スピン状態の位相情報を適切にデータ処理することにより、磁場の強度を算出することができる。例えば、相互作用後の電子スピン状態が基底状態となる確率を求めることにより、測定対象9の磁場の強度を算出することができる。強度の算出は、電子スピンのハミルトニアンHgsの、ゼーマン効果による項に基づいて行う。
[効果]
In step S6, the strength of the magnetic field to be measured is calculated. The intensity of the magnetic field to be measured is calculated based on the change in the phase information (magnetic resonance signal) of the electron spin state of the
[effect]
以上、本発明の一実施形態によると、量子センサを用いる測定において、測定感度を向上させることができる。磁場センサを構成して磁場の強度を測定する本実施形態では、磁場の測定感度を向上させることができ、測定可能な磁場の強度をより小さく設定することができる。 As described above, according to one embodiment of the present invention, measurement sensitivity can be improved in measurement using a quantum sensor. In this embodiment, in which the magnetic field sensor is configured to measure the strength of the magnetic field, the sensitivity of measuring the magnetic field can be improved, and the measurable strength of the magnetic field can be set smaller.
本発明の一実施形態によると、測定電極13に印加するバイアス電圧を可能な限り低くすることにより、センサ素子1のスピン状態が感じる電場の影響を可能な限り低減することができる。これにより、バイアス電圧を印加することにより発生する電場による、センサ素子1のスピン状態への影響は、可能な限り低減され、測定感度の向上が達成される。
According to one embodiment of the present invention, by reducing the bias voltage applied to the
本発明の一実施形態によると、電気検出磁気共鳴法により磁気共鳴の信号を光電流の変化として電気的に検出しているので、測定装置一式を電気的なデバイスとして構成することができる。測定装置の一式を電気的なデバイスとして構成することができると、集積化やデバイスの高度化等といった、測定装置を応用する点において有利となり、次世代の量子エレクトロニクスへの発展も期待される。 According to one embodiment of the present invention, the magnetic resonance signal is electrically detected as a change in photocurrent by the electric detection magnetic resonance method, so that the measurement apparatus set can be configured as an electrical device. If a complete set of measurement equipment can be configured as an electrical device, it will be advantageous in terms of applications of the measurement equipment, such as integration and sophistication of devices, and development into next-generation quantum electronics is also expected.
センサ素子1にダイヤモンドの色中心や炭化ケイ素(SiC)中の色中心を用いる場合には、測定装置10は、冷却機構を用いることなく室温(約300K)下にて動作することができる。先進的な高感度の磁場センサの一例として知られている超伝導量子干渉計(SQUID)は、超伝導状態を維持するために、例えば液体窒素等による冷却機構を必要としている。これに対し、センサ素子1にダイヤモンドの色中心や炭化ケイ素(SiC)中の色中心を用いる場合には、測定装置10は冷却機構を備える必要が無いため、装置の小型化や、他の装置への搭載(例えば、自動車等の輸送機器への搭載)が容易である点において、他の先進的な磁場センサと比較して有利である。
[その他の形態]
When the color center of diamond or the color center of silicon carbide (SiC) is used for the
[Other forms]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。 Although the present invention has been described above using specific embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments.
上記した実施形態では、センサ素子1としてダイヤモンドの結晶を用い、ダイヤモンドの色中心としてNV中心を用いているが、用いる色中心はNV中心に限定されない。NV中心に代えて、珪素-空孔中心またはゲルマニウム-空孔中心を、センサ素子1のダイヤモンドの色中心に用いることができる。また、色中心もダイヤモンド結晶の色中心に限定されず、種々の結晶の色中心をセンサ素子1に用いることができる。
In the embodiment described above, a diamond crystal is used as the
上記した実施形態では、ダイヤモンドの色中心をセンサ素子1に用いているが、センサ素子1に用いる材料はダイヤモンドに限定されない。センサ素子1に電磁波を照射して電子スピン状態を操作することができる限り、ダイヤモンドの色中心に代えて、炭化ケイ素(SiC)の色中心や、有機半導体中を流れる電子やホール、PINダイオードまたはPNダイオード中の電子やホール等の種々の量子センサをセンサ素子1に用いることができる。有機半導体としては、例えばPPV(ポリパラフェニレンビニレン)系やフラーレンやその誘導体を用いることができる。スピンは、有機半導体中を流れる電子やホールのスピンの磁気共鳴信号を、電気検出磁気共鳴(EDMR)法に基づいて検出する。なお、有機半導体、PINダイオードおよびPNダイオード中を流れる電子やホールを量子センサ素子として用いる場合には、レーザ光による初期化は不要となる。
In the embodiment described above, the color center of diamond is used for the
上記した実施形態では、センサ素子1は、ダイヤモンドの結晶12上の所定の領域内に概ね数千個のオーダで生成されているアンサンブルNV中心であるが、センサ素子1には単一の電子スピンを有する単一のNV中心を用いてもよい。
In the embodiment described above, the
上記した実施形態では、測定対象の物理量は磁場(交流磁場または静磁場)であるが、磁場に限らず、電場、温度および力学量(力学的なストレス、圧力等)を測定対象の物理量とすることができる。これら物理量は、電子スピンとの相互作用に関連する物理量であり、電子スピンのハミルトニアンに基づいて算出することができる。 In the embodiments described above, the physical quantity to be measured is a magnetic field (alternating magnetic field or static magnetic field), but the physical quantity to be measured is not limited to the magnetic field, but also electric fields, temperature, and mechanical quantities (mechanical stress, pressure, etc.). be able to. These physical quantities are physical quantities related to interaction with electron spin, and can be calculated based on the Hamiltonian of electron spin.
上記した実施形態では、ダイヤモンドのNV中心が有する電子スピンの磁気的な性質に基づいて、電気検出磁気共鳴法により磁気共鳴信号を検出しているが、磁気共鳴信号の検出に用いる磁気的な性質は、電子スピンに限定されない。電子スピンに代えて核スピンを用い、核スピンの磁気的な性質に基づいて、電気検出磁気共鳴法により、直接的または間接的に磁気共鳴信号を検出してもよい。間接的にとは、例えば原子核と原子電子との間の電磁相互作用(超微細相互作用とも呼ぶ)を用いることを意味する。 In the embodiment described above, the magnetic resonance signal is detected by the electric detection magnetic resonance method based on the magnetic properties of the electron spin of the NV center of the diamond. is not limited to electron spin. A magnetic resonance signal may be detected directly or indirectly by electric detection magnetic resonance method using nuclear spin instead of electron spin and based on the magnetic properties of the nuclear spin. Indirectly means, for example, using electromagnetic interaction (also called hyperfine interaction) between an atomic nucleus and an atomic electron.
上記した実施形態では、センサ素子1に生じる電気的な変化を検出するために、一対の測定電極13(13a,13b)を略対称に配置しているが、検出に用いる測定電極の配置はこれに限定されない。例えば拡散電流の非対称性を用いると、センサ素子1に生じる電気的な変化をより効率的に検出することができる。例えば測定電極13の配置が略対称である場合には、レーザ光のスポットを、測定電極13間の略中央からいずれか一方の測定電極側へオフセットした位置に配置すればよい。ゼロバイアス電圧下においては、光電流は拡散電流となって伝播するため、測定電極や測定電極に対する測定点(レーザ光のスポットの位置)が非対称であることが好ましい。
In the embodiment described above, the pair of measurement electrodes 13 (13a, 13b) are arranged approximately symmetrically in order to detect electrical changes occurring in the
上記した実施形態では、低い強度の電界をセンサ素子1に印加した後に、センサ素子1の色中心の電子スピンを初期化しているが、低い強度の電界は、センサ素子1に生じる光電流の変化を検出する際にセンサ素子1に印加していればよい。
In the embodiment described above, after applying a low-strength electric field to the
上記した実施形態では、NV中心の電子スピンは、測定前および測定中に測定対象9の磁場と相互作用しているが、NV中心の電子スピンが測定対象9の磁場と相互作用するタイミングはこれに限定されない。NV中心の電子スピンは、磁気共鳴を行う前にまたは磁気共鳴を行う間に、測定対象9の磁場と相互作用していればよい。
In the embodiment described above, the electron spins at the NV center interact with the magnetic field of the
以下に本発明の実施例を示し、本発明の特徴をより明確にする。 Examples of the present invention will be shown below to clarify the characteristics of the present invention.
実施例1では、ゼロバイアス電圧下において、ダイヤモンドのNV中心の磁気共鳴信号を電気的に検出することができることを確認した。 In Example 1, it was confirmed that the magnetic resonance signal at the NV center of diamond could be electrically detected under zero bias voltage.
磁気共鳴信号の検出は、図2に示す本発明の実施形態に係る測定装置と同様の構成を用いて行った。スピン状態操作用の電磁波を照射することによりNV中心から生じる磁気共鳴信号は、電気検出磁気共鳴法により測定した。測定電極に印加するバイアス電圧はゼロとした。電気検出磁気共鳴法による磁気共鳴信号の測定結果を図6に示す。図中、(B)には磁気共鳴信号を示し、(A)にはレーザ光および電磁波をNV中心に照射するタイミングおよび期間を示す。(B)の測定結果に示すように、電気検出磁気共鳴法による磁気共鳴信号を、ゼロバイアス電圧下においても測定することができることが確認された。 Detection of magnetic resonance signals was performed using a configuration similar to that of the measuring device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The magnetic resonance signal generated from the NV center by irradiation with electromagnetic waves for spin state manipulation was measured by electric detection magnetic resonance method. The bias voltage applied to the measurement electrode was set to zero. FIG. 6 shows the measurement results of magnetic resonance signals by electric detection magnetic resonance method. In the figure, (B) shows a magnetic resonance signal, and (A) shows the timing and period of irradiation of laser light and electromagnetic waves to the NV center. As shown in the measurement results in (B), it was confirmed that the magnetic resonance signal by the electric detection magnetic resonance method could be measured even under zero bias voltage.
なお、実施例1に示す測定では、(A)の照射タイミングに示すように、1回目のレーザ照射によって磁気共鳴による電流変化(EDMR信号ΔI)を測定し、2回目のレーザ照射によって全光電流量Iを測定している。この全光電流量Iは、磁気共鳴信号を含まない光電流量に対応している。次に、EDMR信号ΔIを全光電流量Iで除算することにより、(B)のグラフに示す磁気共鳴信号の縦軸の値を求めている。 In addition, in the measurement shown in Example 1, as shown in the irradiation timing in (A), the current change due to magnetic resonance (EDMR signal ΔI) is measured by the first laser irradiation, and the total photocurrent amount is measured by the second laser irradiation. Measuring I. This total photocurrent amount I corresponds to the photocurrent amount that does not include magnetic resonance signals. Next, by dividing the EDMR signal ΔI by the total photocurrent amount I, the value of the vertical axis of the magnetic resonance signal shown in the graph (B) is obtained.
実施例2では、光電流のレーザパワー依存性について、NV中心に印加するバイアス電圧を変化させながら確認した。確認は、図2に示す本発明の実施形態に係る測定装置と同様の構成を用いて行った。励起光の照射によりNV中心に生じる光電流は、測定電極を通じて電気的に測定した。NV中心に照射するレーザのパワーは、0mWから8.8mWの範囲で変化させた。電極間に印加するバイアス電圧は、8Vから0Vの範囲において1ボルト刻みで段階的に変化させ、ゼロとなるまで変化させた。電極間のギャップの最小距離dは約2μmであり、NV中心に印加される電界強度は、40kV/cmから0V/cmの範囲であった。測定結果を図7に示す。 In Example 2, the dependence of photocurrent on laser power was confirmed while changing the bias voltage applied to the center of the NV. The confirmation was performed using the same configuration as the measuring device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The photocurrent generated at the NV center by irradiation with excitation light was electrically measured through a measurement electrode. The power of the laser irradiated to the center of the NV was varied in the range of 0 mW to 8.8 mW. The bias voltage applied between the electrodes was varied stepwise in steps of 1 volt in the range from 8 V to 0 V until it reached zero. The minimum distance d of the gap between the electrodes was approximately 2 μm, and the electric field strength applied to the NV center ranged from 40 kV/cm to 0 V/cm. The measurement results are shown in FIG.
図7の測定結果に示すように、電気検出磁気共鳴法による磁気共鳴信号を、ゼロバイアス電圧下においても測定することができることが確認された。この図7の測定結果に示す、NV中心に印加する電界強度が0V/cmでの磁気共鳴信号の測定は、従来技術においてNV中心に印加されている電界強度(0.13~50kV/cm)での測定と比較しても、印加した電界強度がより低い条件での測定であった。 As shown in the measurement results in FIG. 7, it was confirmed that magnetic resonance signals by electric detection magnetic resonance method can be measured even under zero bias voltage. The measurement results of the magnetic resonance signals shown in FIG. 7 when the electric field strength applied to the NV center is 0 V/cm are different from the electric field strength applied to the NV center in the conventional technology (0.13 to 50 kV/cm). Even when compared to the measurement at , the measurement was performed under conditions where the applied electric field strength was lower.
1 センサ素子
2 電磁波照射部
3 物理量測定部
8 相互作用
9 測定対象10 測定装置
11 プローブ12 結晶(ダイヤモンド)
13(13a,13b) 測定電極
14 アンテナ
21 発振器
22 スイッチ
23 増幅器
31 光照射部
32 電圧印加部
33 検出部
34 データ処理部
99 ネットワーク
311 光源
312 音響光学変調素子
313 対物レンズ
1
13 (13a, 13b) Measuring
Claims (9)
前記量子センサ素子を間に挟むように配置される一対の測定電極と、
前記量子センサ素子の前記スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、前記量子センサ素子に照射する電磁波照射部と、
前記スピン状態の変化に基づいて、前記測定対象の物理量を算出する物理量測定部と、を備え、
前記量子センサ素子に印加される電界強度はゼロである、測定装置。 A quantum sensor element whose spin state changes due to interaction with the measurement target,
a pair of measurement electrodes arranged with the quantum sensor element sandwiched therebetween;
an electromagnetic wave irradiation unit that irradiates the quantum sensor element with electromagnetic waves for manipulating the spin state of the quantum sensor element by magnetic resonance;
a physical quantity measurement unit that calculates the physical quantity of the measurement target based on the change in the spin state,
The measuring device, wherein the electric field strength applied to the quantum sensor element is zero .
前記量子センサ素子の前記スピン状態を初期化するための光を、前記量子センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる光電流の変化を、前記スピン状態の変化として、前記測定電極を通じて検出する検出部と、
を備える、請求項1に記載の測定装置。 The physical quantity measuring section includes:
a light irradiation unit that irradiates the quantum sensor element with light for initializing the spin state of the quantum sensor element;
a detection unit that detects a change in photocurrent generated in the quantum sensor element by the irradiation of the light as a change in the spin state through the measurement electrode;
The measuring device according to claim 1 , comprising:
検出された前記光電流の変化から前記スピン状態の位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するデータ処理部をさらに備える、請求項2に記載の測定装置。 The physical quantity measuring section includes:
The measuring device according to claim 2 , further comprising a data processing unit that reads out phase information of the spin state from the detected change in the photocurrent and calculates the physical quantity based on the read phase information.
前記スピン状態の変化に基づいて、前記測定対象の物理量を算出するステップと、
を含み、
前記量子センサ素子に印加される電界強度はゼロである、測定方法。 A quantum sensor element that is disposed between a pair of measurement electrodes and whose spin state changes due to interaction with a measurement target, and in which an electromagnetic wave for manipulating the spin state of the quantum sensor element by magnetic resonance is transmitted to the quantum sensor. a step of irradiating the element;
calculating a physical quantity of the measurement target based on the change in the spin state;
including ;
A measuring method , wherein the electric field strength applied to the quantum sensor element is zero .
前記量子センサ素子の前記スピン状態を初期化するための光を、前記量子センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる光電流の変化を、前記スピン状態の変化として、前記測定電極を通じて検出するステップと、
を含む、請求項7に記載の測定方法。 The step of calculating the physical quantity includes:
irradiating the quantum sensor element with light for initializing the spin state of the quantum sensor element;
Detecting a change in photocurrent generated in the quantum sensor element by the irradiation of the light as a change in the spin state through the measurement electrode;
The measuring method according to claim 7 , comprising:
検出された前記光電流の変化から前記スピン状態の位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するステップをさらに含む、請求項8に記載の測定方法。 The step of calculating the physical quantity includes:
9. The measuring method according to claim 8 , further comprising the step of reading phase information of the spin state from the detected change in the photocurrent and calculating the physical quantity based on the read phase information.
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