WO2022210696A1

WO2022210696A1 - ダイヤモンド光磁気センサ

Info

Publication number: WO2022210696A1
Application number: PCT/JP2022/015394
Authority: WO
Inventors: 洋成出口; 夏生辰巳; 司林; 良樹西林
Original assignee: 住友電気工業株式会社; 日新電機株式会社
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-10-06
Also published as: EP4318012A1; JPWO2022210696A1; CN117099008A; US20240168107A1

Abstract

本発明のダイヤモンド光磁気センサ（１００）は、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンド（１０２）と、電磁波を伝送する伝送回路（１０６）と、伝送回路（１０６）により伝送される電磁波をダイヤモンド（１０２）に照射する照射部とを含み、伝送回路（１０６）は、電磁波を出力する電磁波源（１１０）のインピーダンスを照射部から見て低くする又は高くするためのインピーダンス変換器（１０８）を含み、照射部は、共振器（１０４）を含む。

Description

ダイヤモンド光磁気センサ

　本開示は、ダイヤモンド光磁気センサに関する。本出願は、２０２１年３月３１日出願の日本出願第２０２１－０５９７９６号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

　ダイヤモンドのＮＶ中心（以下、ＮＶセンタという）を用いた光磁気センサが知られている。ダイヤモンド中の炭素の置換位置に入った窒素と、その窒素に隣接する空孔から成るＮＶセンタは負に帯電すると、その基底状態は三重項状態（即ち、スピンＳがＳ＝１）になる。そのＮＶセンタを波長５３２ｎｍ（即ち緑色光）により励起すると波長６３７ｎｍ（即ち赤色光）の蛍光を発する。蛍光の発光強度はスピン状態により変化し、スピン状態はＮＶセンタに印加された磁界とマイクロ波又はラジオ波とによる磁気共鳴で変化するため、ダイヤモンド光磁気センサとして利用できる。

　ダイヤモンド光磁気センサは、ＮＶセンタを含有したダイヤモンド基板と、光源からの励起光を伝送してＮＶセンタに照射する光学系と、ＮＶセンタからの蛍光を集光して光検出器に伝送する光学系と、電源からのマイクロ波を伝送してＮＶセンタに照射する導波路から構成される。

　例えば、下記非特許文献１には、コプレーナ導波路にダイヤモンドセンサを載せてマイクロ波を照射する構成が開示されている。ダイヤ基板の形状は直方体であり、励起光はダイヤ基板の横から照射され、蛍光はダイヤ基板の上から集光される。

増山雄太、波多野雄治、岩崎孝之、波多野睦子、"コプレーナ導波路を用いた高感度マクロダイヤモンド磁力計"、第７９回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集（発行日：２０１８年９月５日）

　本開示のある局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、電磁波を伝送する伝送回路と、伝送回路により伝送される電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、伝送回路は、電磁波を出力する電磁波源のインピーダンスを照射部から見て低く又は高くするためのインピーダンス変換器を含む。

　本開示の別の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、電磁波を伝送する伝送回路と、伝送回路により伝送される電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、照射部は、共振器を含む。

図１は、本開示の第１実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサを示す回路図である。図２は、本開示の第２実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサを示す回路図である。図３は、図２に示したダイヤモンド光磁気センサの具体例を示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図４は、コプレーナ導波路にダイヤモンドが配置された状態を示す二面図（即ち、上から平面図及び正面図）である。図５は、図３に示したダイヤモンド光磁気センサにおいてマイクロ波の照射によりダイヤモンドに形成される磁界を示す断面図である。図６は、本開示の第３実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサを示す回路図である。図７は、本開示の第４実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサを示す回路図である。図８は、図７に示したダイヤモンド光磁気センサの具体例を示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図９は、図８に示したダイヤモンド光磁気センサにおいてマイクロ波の照射によりダイヤモンドに形成される磁界を示す断面図である。図１０は、本開示の第５実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサの具体例を示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図１１は、図１０に示したダイヤモンド光磁気センサにおいてマイクロ波の照射によりダイヤモンドに形成される磁界を示す断面図である。図１２は、マイクロ波電力を無線伝送により供給する場合のダイヤモンド磁気センサを示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図１３は、第１変形例に係るダイヤモンド光磁気センサを示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図１４は、第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサを示す三面図（即ち、上から平面図、側面図及び底面図）である。図１５は、多段型のλ／４変成器を示す模式図である。図１６は、テーパ状のλ／４変成器を示す模式図である。図１７は、実験に用いた測定装置の構成を示す模式図である。図１８は、実験に用いたマイクロストリップラインの共鳴器を示す平面図である。図１９は、実験に用いたコプレーナ導波路の共鳴器を示す平面図である。図２０は、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される蛍光の強度の変化を示すグラフである。図２１は、実験結果を示すグラフである。

　［本開示が解決しようとする課題］
　非特許文献１に倣い、コプレーナ導波路を用いて電源からのマイクロ波を伝送してＮＶセンタに照射し、磁気共鳴させたところ、十分に磁気共鳴させるためには、約３０ｄＢｍ（＝１Ｗ）のパワーでマイクロ波を供給する必要があった。また、マイクロストリップラインを用いた場合にも、ほぼ同程度のマイクロ波パワーを供給する必要があった。

　ＮＶセンタを磁気共鳴させるためのマイクロ波の周波数は約３ＧＨｚであり、この周波数は、磁界、電界及び温度の影響を受けて変化する。これらによる影響（即ち、共鳴周波数の変化）の程度を表す係数を以下に示す。
　磁界の影響：２８ＧＨｚ／Ｔ
　電界の影響：１７Ｈｚ／（Ｖ／ｃｍ）
　温度の影響：－７４．２ｋＨｚ／Ｋ

　したがって、ＮＶセンタを磁気共鳴させるマイクロ波の電力が大きければ、ＮＶセンタを含むダイヤモンド周辺でマイクロ波の伝送ロスによる温度上昇が生じ、磁気共鳴の周波数が影響を受け、測定に影響する問題がある。そのため、できるだけ小さいマイクロ波の電力で磁気共鳴させることが望まれる。

　また、高電圧の電力機器での計測にダイヤモンド光磁気センサを用いる場合、励起光、蛍光及びマイクロ波の伝送は、高電圧の絶縁破壊を避けるため、リモートで絶縁離隔を確保して行うことが望ましい。励起光及び蛍光の伝送は、光ファイバを用いれば、リモートで絶縁離隔を確保して行うことができる。マイクロ波の伝送は、同軸ケーブルによる伝送では絶縁離隔の確保が難しいが、送信アンテナと受信アンテナとを用いて電波により空間伝送すれば、リモートで絶縁離隔を確保して行うことができる。マイクロ波を送信アンテナと受信アンテナとを用いて空間伝送する場合には、省電力、コンパクト、且つ低コストで実現できれば好ましい。即ち、マイクロ波の送信電力を抑制し、アンテナ利得を増大させて、できるだけ小さい電力のマイクロ波で磁気共鳴させることができることが望ましい。

　したがって、本開示は、小さい電力のマイクロ波により動作可能なダイヤモンド光磁気センサを提供することを目的とする。

　［本開示の効果］
　本開示によれば、小さい電力のマイクロ波により動作可能なダイヤモンド光磁気センサを提供できる。

　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態の内容を列記して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

　（１）本開示の第１の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、電磁波を伝送する伝送回路と、伝送回路により伝送される電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、伝送回路は、電磁波を出力する電磁波源のインピーダンスを照射部から見て低く又は高くするためのインピーダンス変換器を含む。これにより、ダイヤモンド光磁気センサは、小さい電力のマイクロ波により動作可能になる。

　（２）本開示の第２の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、電磁波を伝送する伝送回路と、伝送回路により伝送される電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、照射部は、共振器を含む。これにより、ダイヤモンド光磁気センサは、小さい電力のマイクロ波により動作可能になる。

　（３）第２の局面に係るダイヤモンド光磁気センサにおいて、伝送回路は、電磁波を出力する電磁波源のインピーダンスを照射部から見て低く又は高くするためのインピーダンス変換器を含むことができる。これにより、共振器を流れる電流又は共振器に加わる電圧を大きくでき、電磁波を効率的にダイヤモンドに照射できる。

　（４）インピーダンス変換器は、変圧器を含んでいてもよい。これにより、ダイヤモンド光磁気センサを容易に形成できる。

　（５）インピーダンス変換器は、λ／４変成器を含んでいてもよい。これにより、電磁波の伝送回路と共振器との間でインピーダンスを精度よく変換でき、電磁波を効率的にダイヤモンドに照射できる。

　（６）共振器は、λ／４スタブを含んでいてもよい。これにより、共振器の共振周波数を精度よく調整でき、電磁波を効率的にダイヤモンドに照射できる。

　（７）λ／４スタブは、λ／４オープンスタブを含んでいてもよい。これにより、蛍光の集光効率の高いダイヤモンドの形状設計が容易になる。また、直列共振を実現でき、短絡電流を増大でき、より磁界の強いマイクロ波を照射できる。

　（８）λ／４スタブは、λ／４ショートスタブを含んでいてもよい。これにより、並列共振を実現でき、開放電圧を増大でき、より磁界の強いマイクロ波を照射できる。

　（９）λ／４スタブは、平行に配置された２つの線状の導電体を含んでいてもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大できる。

　（１０）λ／４スタブは、平行に配置された４つの線状の導電体を含んでいてもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大できる。

　（１１）λ／４スタブは、２つの平板状の導電体を含んでいてもよく、２つの平板状の導電体は、相互に対向して平行に配置されていてもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大でき、磁界の均一性を向上できる。

　（１２）ダイヤモンドの厚さは、０より大きく０．３ｍｍ以下であってもよく、２つの線状の導電体は、ダイヤモンドを挟み、ダイヤモンドの厚さ方向に離隔して配置されていてもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大できる。

　（１３）ダイヤモンドの厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよく、２つの平板状の導電体は、ダイヤモンドを挟み、ダイヤモンドの厚さ方向に離隔して配置されていてもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大でき、磁界の均一性を向上できる。

　（１４）λ／４変成器は、幅が連続的に変化するテーパ状に形成されていてもよい。これにより、インピーダンスを容易且つ精度よく広帯域で変換できる。

　（１５）λ／４変成器は、幅が離散的に変化する多段型に形成されていてもよい。これにより、インピーダンスを容易且つ精度よく広帯域で変換できる。

　（１６）インピーダンス変換器は、マイクロストリップラインを含んでいてもよく、マイクロストリップラインの幅は、マイクロストリップラインの長さの１／２以下であってもよい。これにより、少ない損失でインピーダンスを容易且つ精度よく変換できる。

　（１７）λ／４スタブの幅は、λ／４スタブの長さの１／２以下であってもよい。これにより、少ない放射で共振できる。

　（１８）ダイヤモンドの中心は、λ／４オープンスタブの伝送回路との接続端から所定範囲内に位置していてもよく、所定範囲は、λ／４オープンスタブの電気長の１／８以上３／８以下であってもよく、ダイヤモンドの、λ／４オープンスタブの長手方向に沿った長さは、電気長の１／４以下であってもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大できる。

　（１９）ダイヤモンドの中心は、λ／４ショートスタブの短絡端から所定範囲内に位置していてもよく、所定範囲は、λ／４ショートスタブの電気長の１／８以上３／８以下であってもよく、ダイヤモンドの、λ／４ショートスタブの長手方向に沿った長さは、電気長の１／４以下であってもよい。これにより、マイクロ波によりダイヤモンドに印加する磁界を増大できる。

　［本開示の実施形態の詳細］
　以下の実施形態においては、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（第１実施形態）
　図１を参照して本開示の第１実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ１００は、ダイヤモンド１０２、共振器１０４、伝送回路１０６及びマイクロ波源１１０を含む。本実施形態は、集中定数回路により構成した共鳴器により、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を効率的に供給する。ダイヤモンド１０２はＮＶセンタを含む。

　共振器１０４は、コイルＬ１及びキャパシタＣ１を含み、直列共振回路を構成する。ダイヤモンド１０２は、コイルＬ１の近傍（コイルＬ１の内部を含む）に配置される。なお、コイルＬ１の内部とは、コイルＬ１を構成する巻線により取り囲まれる空間を意味する。共振器１０４は、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射するための照射部である。伝送回路１０６は、インピーダンス変換器１０８と、インピーダンス変換器１０８とマイクロ波源１１０との間を接続する特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブルとを含む。マイクロ波源１１０は、所定周波数のマイクロ波を発生させる電源である。特性インピーダンスＺ１は例えば５０Ωであり、マイクロ波源１１０は、同軸ケーブルを介して電磁波（即ちマイクロ波）をダイヤモンド光磁気センサ１００に供給する（即ち５０Ω給電）。インピーダンス変換器１０８は、具体的には変圧器である。インピーダンス変換器１０８に変圧器を用いることにより、ダイヤモンド光磁気センサを容易に形成できる。このように構成されることにより、共振器１０４及びインピーダンス変換器１０８が共鳴器として機能し、マイクロ波源１１０からのマイクロ波の磁界を増大させてダイヤモンド１０２に照射できる。

　例えば、インピーダンス変換器１０８の巻線の巻数比を１次側：２次側＝１：Ｎ（Ｎは正の有理数）としてインピーダンス変換すると、負荷側（即ちＬＣ直列共振器）での開放電圧はＮ倍、インピーダンスはＮ^２倍になり、直列共振回路に電流れる短絡電流は１／Ｎ倍になる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、Ｎを１よりも小さくすれば、ダイヤモンド光磁気センサ１００は磁気センサとして機能できる。

（第２実施形態）
　図２を参照して本開示の第２実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ１２０は、ダイヤモンド１０２、共振器１２４、伝送回路１２６及びマイクロ波源１１０を含む。本実施形態は、高周波回路により構成した共鳴器により、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を効率的に供給する。

　共振器１２４は、λ／４スタブ１２２を含み、直列共振回路として機能する。ダイヤモンド１０２は、λ／４スタブ１２２の近傍に配置される。共振器１２４は、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射するための照射部である。伝送回路１２６は、λ／４変成器１２８と、λ／４変成器１２８とマイクロ波源１１０との間を接続する特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブルとを含む。特性インピーダンスＺ１は例えば５０Ωであり、マイクロ波源１１０は、同軸ケーブルを介してマイクロ波をダイヤモンド光磁気センサ１２０に供給する。λ／４変成器１２８はインピーダンス変換器として機能する。λ／４スタブ１２２は、例えばλ／４オープンスタブである。λ／４変成器１２８を用いることにより、伝送回路１２６（具体的には、特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブル）と共振器１２４との間でインピーダンスを精度よく変換でき、電磁波を効率的にダイヤモンド１０２に照射できる。

　このように構成されることにより、λ／４スタブ１２２及びλ／４変成器１２８が共鳴器として機能し、マイクロ波源１１０からのマイクロ波の磁界を増大させてダイヤモンド１０２に照射できる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１２０は磁気センサとして機能できる。

　図３を参照して、λ／４スタブ１２２及びλ／４変成器１２８の具体的構成を示す。λ／４スタブ１２２は、２本の銅線１３２及び１３４により構成されている。２本の銅線１３２及び１３４は、λ／４オープンスタブである。銅線１３２及び１３４の各々は、直径ｄが０．４５ｍｍであり、長さａ１は、約３ＧＨｚのマイクロ波に対してλ／４となるように（周囲の誘電体をも考慮して）、２０ｍｍに形成されている。銅線１３２及び１３４の間隔ｂ１は４ｍｍである。ダイヤモンド１０２は、銅線１３２及び１３４の間に配置されている。銅線１３２及び１３４の各々の直径は、５０μｍ以上２ｍｍ以下程度であってもよい。直径が５０μｍより小さ過ぎると、マイクロ波の出力が大きいときに発熱して銅線が断線してしまう。また、直径が２ｍｍより大き過ぎると、銅線が伝送回路からはみ出してしまい、回路の電気整合がうまくいかない。この組合せの場合（即ち、上記の直径範囲の銅線を使用する場合）、ダイヤモンド１０２は厚さ１μｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。

　λ／４変成器１２８は、誘電体基板１４０と、誘電体基板１４０の表面に配置された銅箔１３０と、誘電体基板１４０の裏面に配置された銅箔１３８により構成される。誘電体基板１４０は、例えばガラスエポキシにより形成されている。銅箔１３０は銅線１３２に接続されている。銅箔１３０は、幅ｗ１が３ｍｍの第１部分と、幅ｗ２が１０ｍｍの第２部分とから構成されている。第２部分の長さａ２は２０ｍｍである。レセプタクル１３６は、同軸ケーブルのプラグが装着されるＳＭＡ型レセプタクルである。レセプタクル１３６の中心線（即ち信号線）は銅箔１３０に接続され、レセプタクル１３６のグラウンドは銅箔１３８に接続されている。銅箔１３８は銅線１３４に接続されている。

　λ／４オープンスタブであるλ／４スタブ１２２のインピーダンスは、例えば３００Ωである。λ／４変成器１２８としてインピーダンス２５Ωのものにより、λ／４変成器１２８及びλ／４スタブ１２２の接合部においてマイクロ波によりダイヤモンド１０２に印加する磁界を大きくするには、λ／４スタブ１２２に配置されるダイヤモンド１０２の位置を調整することが好ましい。λ／４スタブ１２２の伝送回路１２６（具体的にはλ／４変成器１２８）との接続端から、ダイヤモンド１０２の中心までの距離ｅ１は、λ／４スタブ１２２（即ちλ／４オープンスタブ）の電気長の１／４であることが好ましい。しかし、距離ｅ１は、λ／４スタブ１２２の電気長の（１／４）±（１／８）の範囲（即ち、１／８以上３／８以下の範囲）であればよい。ダイヤモンド１０２の間隔ｂ１方向の厚さは、０より大きく０．３ｍｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド１０２のλ／４スタブ１２２（即ちλ／４オープンスタブ）の長手方向に沿った長さは、λ／４スタブ１２２の電気長の１／４以下であることが好ましい。ダイヤモンド１０２をこのような大きさにすることにより、後述するように、マイクロ波によりダイヤモンド１０２に印加する磁界を増大できる。

　このように構成されることによる、ダイヤモンド１０２に照射されるマイクロ波の強度に関して考察する。図４を参照して、コプレーナ導波路を用いてダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射する場合、ダイヤモンド１０２が配置された導電体９０２に、紙面に垂直に上向きの電流が流れる瞬間には、両側の導電体９００及び９０４には紙面に垂直に下向きの電流が流れる（下側の正面図参照）。高周波電流であるので、表皮効果と近接効果とにより、電流は導電体９００、９０２及び９０４の端部に集中する。したがって、ダイヤモンド１０２内部に形成される磁界は、紙面に垂直に上向きの電流により実線の矢印で示す磁界Ｈ１及びＨ２が形成され、紙面に垂直に下向きの電流により破線の矢印で示す磁界Ｈ３及びＨ４が形成される。これらの磁界は殆ど打消し合うので、合成磁界は小さい。その一方、図５を参照して、図３に示した構成であれば、銅線１３２及び１３４には逆方向の電流が流れ、それらがダイヤモンド１０２内部に形成する磁界は、実線の矢印で示す磁界Ｈ１と破線の矢印で示す磁界Ｈ２とが同じ方向を向いているので、増大する。

　例えば、図４に示したコプレーナ導波路（例えば、インピーダンスが５０Ωであるとする）と比較して、上記のように、図３に示した構成においては、直列共振により短絡電流が流れるので電流が約２倍になり、また、５０Ωから１２．５Ωへのインピーダンス変換により短絡電流が約２倍になる。したがって、マイクロ波の電力が同じであれば、合計で約４倍の電流が流れる。例えば、コプレーナ導波路により、電流１Ａで形成される磁界Ｈは、Ｈ＝１４．５（Ａ／ｍ）である。一方、図３に示した構成においては、間隔４ｍｍで平行に配置された２本の銅線１３２及び１３４により、電流１Ａで形成される磁界Ｈは、Ｈ＝７０（Ａ／ｍ）となり、コプレーナ導波路の約５倍である。したがって、図３に示した構成により、図４に示したコプレーナ導波路を用いる場合の合計２０（＝４×５）倍の磁界をダイヤモンド１０２に印加できる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１２０は磁気センサとして機能できる。

（第３実施形態）
　上記では、直列共振により、ダイヤモンド１０２に照射するマイクロ波を増大する場合を説明したが、これに限定されない。第３実施形態においては、並列共振によりダイヤモンド１０２に照射するマイクロ波を増大する。図６を参照して本開示の第３実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ１４２は、ダイヤモンド１０２、共振器１４４、伝送回路１４６及びマイクロ波源１１０を含む。本実施形態は、集中定数回路により構成した共鳴器により、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を効率的に供給する。

　共振器１４４は、コイルＬ２及びキャパシタＣ２を含み、並列共振回路を構成する。ダイヤモンド１０２は、コイルＬ２の近傍（コイルＬ２の内部を含む）に配置される。共振器１４４は、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射するための照射部である。伝送回路１４６は、インピーダンス変換器１４８と、インピーダンス変換器１４８とマイクロ波源１１０との間を接続する特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブルとを含む。特性インピーダンスＺ１は例えば５０Ωであり、マイクロ波源１１０は、同軸ケーブルを介してマイクロ波をダイヤモンド光磁気センサ１４２に供給する。インピーダンス変換器１４８は、具体的には変圧器である。インピーダンス変換器１４８に変圧器を用いることにより、ダイヤモンド光磁気センサを容易に形成できる。このように構成されることにより、共振器１４４及びインピーダンス変換器１４８が共鳴器として機能し、マイクロ波源１１０からのマイクロ波を増大させてダイヤモンド１０２に照射できる。

　例えば、インピーダンス変換器１４８の巻線の巻数比を１次側：２次側＝１：Ｎとしてインピーダンス変換すると、負荷側（即ちＬＣ並列共振器）での開放電圧はＮ倍になる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１４２は磁気センサとして機能できる。

（第４実施形態）
　図７を参照して本開示の第４実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ１５０は、ダイヤモンド１０２、共振器１５４、伝送回路１５６及びマイクロ波源１１０を含む。本実施形態は、高周波回路により構成した共鳴器により、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を効率的に供給する。

　共振器１５４は、λ／４スタブ１５２を含み、並列共振回路として機能する。ダイヤモンド１０２は、λ／４スタブ１５２の近傍に配置される。共振器１５４は、ダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射するための照射部である。伝送回路１５６は、λ／４変成器１５８と、λ／４変成器１５８とマイクロ波源１１０との間を接続する特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブルとを含む。特性インピーダンスＺ１は例えば５０Ωであり、マイクロ波源１１０は、同軸ケーブルを介してマイクロ波をダイヤモンド光磁気センサ１５０に供給する。λ／４変成器１５８はインピーダンス変換器として機能する。λ／４スタブ１５２は、例えばλ／４ショートスタブである。λ／４変成器１５８を用いることにより、伝送回路１５６（具体的には、特性インピーダンスＺ１の同軸ケーブル）と共振器１５４との間でインピーダンスを精度よく変換でき、電磁波を効率的にダイヤモンド１０２に照射できる。

　このように構成されることにより、λ／４スタブ１５２及びλ／４変成器１５８が共鳴器として機能し、マイクロ波源１１０からのマイクロ波の磁界を増大させてダイヤモンド１０２に照射できる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１５０は磁気センサとして機能できる。

　図８を参照して、λ／４スタブ１５２及びλ／４変成器１５８の具体的構成を示す。λ／４スタブ１５２は、平板の銅箔１６４により構成されている。銅箔１６４は、幅ｗ４が４ｍｍであり、長さａ３が２０ｍｍになるように、一辺を取り除いた矩形に折り曲げられて形成されている。即ち、銅箔１６４は、２つのλ／４スタブが銅箔１６４の折り曲げ部分でショートされた構成になっている（以下、折り曲げ部分を短絡端という）。λ／４スタブ１５２は、λ／４ショートスタブである。λ／４スタブ１５２の幅ｗ４は上記の値に限定されない。λ／４スタブ１５２の幅ｗ４は、λ／４スタブ１５２の長さａ３の１／２以下であればよい。これにより、少ない放射で共振できる。

　λ／４変成器１５８は、銅箔１６４に接続され、平行に配置された２本の銅線１６０及び１６２により構成されている。銅線１６０及び１６２の長さａ４は２０ｍｍであり、間隔ｂ２は４ｍｍである。レセプタクル１３６は、同軸ケーブルのプラグが装着されるＳＭＡ型レセプタクルである。レセプタクル１３６の中心線（即ち信号線）は銅線１６０に接続され、レセプタクル１３６のグラウンドは銅線１６２に接続されている。ダイヤモンド１０２は、銅箔１６４により囲まれる空間内（即ち銅箔１６４の内側）に配置されている。

　λ／４ショートスタブであるλ／４スタブ１５２のインピーダンスは例えば１００Ωである。λ／４変成器１５８としてインピーダンス３００Ωのものによりインピーダンスを変換し、λ／４変成器１５８及びλ／４スタブ１５２の接合部においてマイクロ波によりダイヤモンド１０２に印加される磁界を大きくするには、λ／４スタブ１５２に配置されるダイヤモンド１０２の位置を調整することが好ましい。λ／４スタブ１５２の短絡端から、ダイヤモンド１０２の中心までの距離ｅ２は、λ／４スタブ１５２（即ちλ／４ショートスタブ）の電気長の１／４であることが好ましい。しかし、距離ｅ２は、λ／４スタブ１５２の電気長の（１／４）±（１／８）の範囲（即ち、１／８以上３／８以下の範囲）であればよい。ダイヤモンド１０２の、λ／４スタブ１５２（即ち、平行な２つの平板部）に直交する方向の厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド１０２のλ／４スタブ１５２（即ちλ／４ショートスタブ）の長手方向に沿った長さは、λ／４スタブ１５２の電気長の１／４以下であることが好ましい。ダイヤモンド１０２をこのような大きさにすることにより、後述するように、マイクロ波によりダイヤモンド１０２に印加する磁界を増大できる。

　このように構成されることによる、ダイヤモンド１０２に形成されるマイクロ波の強度に関して考察する。上記したように、図４に示したコプレーナ導波路を用いてダイヤモンド１０２にマイクロ波を照射する場合、ダイヤモンド１０２内部に形成される磁界は打消し合うので、合成磁界は小さい。一方、図９を参照して、図８に示した構成において、銅線１６０及び銅線１６２には逆方向の電流が流れ、銅箔１６４の平行な平板部分にも、逆方向の電流が流れる。高周波電流であるので、表皮効果と近接効果とにより、電流は銅箔１６４の端部に集中する。銅箔１６４に流れる電流がダイヤモンド１０２内部に形成する磁界は、実線の矢印で示す磁界Ｈ１及びＨ３と破線の矢印で示す磁界Ｈ２及びＨ４とが同じ方向（即ち図９の上方）を向いているので、増大する。また、図９において、銅箔１６４の電流分布は、左右方向及び上下方向のいずれに関しても対称であるので、銅箔１６４の内側の中央領域における磁界の左右方向の成分が打ち消され、中央領域において磁界の均一性が高くなる。

（第５実施形態）
　上記では、第２実施形態として、ガラスエポキシ等の誘電体基板を用い、２本の銅線によりλ／４スタブを構成する場合を説明した。それに対して、第５実施形態においては、フレキシブル基板を用い、４本の銅線によりλ／４スタブを構成する。図１０を参照して、本開示の第５実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ３００は、ダイヤモンド１０２、λ／４スタブ３０２、λ／４変成器３０４及びレセプタクル１３６により構成されている。

　λ／４スタブ３０２は、４本の銅線３１０により構成されている。４本の銅線３１０は、λ／４オープンスタブを構成する。銅線３１０の各々は、直径ｄが０．４５ｍｍであり、長さａ８は、約３ＧＨｚのマイクロ波に対してλ／４となるように、約２０ｍｍに形成されている。銅線３１０間の間隔ｇは２ｍｍである。ダイヤモンド１０２は、４本の銅線３１０の中央に配置されている。

　λ／４スタブ３０２は、フレキシブル基板３０６と、フレキシブル基板３０６の表面に配置された銅箔３０８と、フレキシブル基板３０６の裏面に配置された銅箔３１２により構成される。銅箔３０８の幅ｗ８は１ｍｍ、長さａ９は約１５ｍｍである。レセプタクル１３６の中心線（即ち信号線）は銅箔３０８に接続され、レセプタクル１３６のグラウンドは銅箔３１２に接続されている。λ／４オープンスタブであるλ／４スタブ３０２のインピーダンスは例えば２００Ωであり、λ／４変成器３０４のインピーダンスは例えば２０Ωである。λ／４変成器３０４及びλ／４スタブ３０２の接合部においてマイクロ波によりダイヤモンド１０２に印加する磁界を大きくするには、第２実施形態と同様に、λ／４スタブ３０２に配置されるダイヤモンド１０２の位置を調整することが好ましい。

　図１０に示したダイヤモンド光磁気センサ３００においてダイヤモンド１０２に形成されるマイクロ波の強度に関して考察する。図１１を参照して、図１０に示した構成において、４本の銅線３１０のうち、上側の２本（例えば、銅箔３０８に接続された銅線）は同じ方向に電流が流れ、下側の２本（例えば、銅箔３１２に接続された銅線）は同じ方向に電流が流れる。上側の電流方向と下側の電流方向とは逆になっている。ダイヤモンド１０２には、上側の２本の銅線３１０によって磁界Ｈ５及びＨ６（実線の矢印参照）が形成され、下側の２本の銅線３１０によって磁界Ｈ７及びＨ８（破線の矢印参照）が形成される。磁界Ｈ５及びＨ８は同じ方向、即ち図１１の右斜め上方向を向いており、相互に磁界が強められる。磁界Ｈ６及びＨ７は同じ方向、即ち図１１の右斜め下方向を向いており、相互に磁界が強められる。

　磁界Ｈ５～Ｈ８により、右向きの合成磁界が形成される。即ち、フレキシブル基板３０６の表面に平行な方向に磁界を印加できる。一方、上記したように、図３及び図８の構成であれば、基板に対して垂直方向に磁界を形成できる（図５及び図９参照）。マイクロ波磁界の基板に対する方向は、ダイヤモンド１０２の結晶方位、ＮＶセンタの方向、ＮＶセンタの配向性、励起光の照射及び蛍光の集光のレイアウトにより、垂直方向が好適な場合と、水平方向が好適な場合とがある。垂直方向が好適な場合には、例えば図３又は図８に示した構成を用いることができる。水平方向が好適な場合には、例えば図１０に示した構成を用いることができる。

　上記の第１～第５実施形態において、マイクロ波電力は、有線により供給されても、空間中の無線伝送により供給されてもよい。上記では、有線の場合の例として、伝送回路にＳＭＡレセプタクルを接続することを示した。一方、無線の場合には、例えば、図１２に示すように、マイクロ波をモノポールアンテナで受信して、モノポールアンテナに直接接続された共振器側に電力供給する伝送回路とすることができる。図１２を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ３３０は、ダイヤモンド１０２、λ／４スタブ３３２、λ／４変成器３３４及びモノポールアンテナ３３６により構成されている。λ／４スタブ３３２は、線状導体３４２（例えば銅線）と、線状導体３３８（例えば銅線）の一部（即ち、線状導体３４２に対応する部分）とにより構成されている。λ／４スタブ３３２は、λ／４オープンスタブである。λ／４変成器３３４は、フレキシブル基板３４０と、銅箔３４４と、線状導体３３８の一部（即ち、銅箔３４４に対向する部分）とにより構成されている。モノポールアンテナ３３６の特性インピーダンスは例えば３７Ωであり、λ／４変成器３３４及びλ／４スタブ３３２及びの特性インピーダンスはそれぞれ、例えば２０Ω及び２００Ωである。即ち、モノポールアンテナ３３６によりマイクロ波を受信し、低インピーダンスに変換し、λ／４オープンスタブにより直列共振させる。

（第１変形例）
　上記では、第２実施形態として、誘電体基板（例えば、ガラスエポキシ）を用いる場合を説明したが、これに限定されない。第１変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、フレキシブル基板を用いる。

　図１３を参照して、第１変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ１７０は、図３に示したダイヤモンド光磁気センサ１２０とは、λ／４スタブ１２２及びλ／４変成器１２８の構成が異なる。λ／４スタブ１２２は、フレキシブル基板１７２と、フレキシブル基板１７２の表面に配置された銅箔１７４と、フレキシブル基板１７２の裏面に配置された銅箔１７８とにより構成される。フレキシブル基板１７２は、フィルム状のポリイミドにより形成されている。銅箔１７４及び１７８の各々は幅ｗ５が０．５ｍｍ、長さａ５が２０ｍｍであり、両者の間隔ｂ３は４ｍｍである。銅箔１７４及び銅箔１７８は、λ／４オープンスタブである。λ／４変成器１２８は、フレキシブル基板１７２と、フレキシブル基板１７２の表面に配置され、銅箔１７４に接続された銅箔１７６と、フレキシブル基板１７２の裏面に配置され、銅箔１７８に接続された銅箔１８０とにより構成される。銅箔１７６の幅ｗ６は１ｍｍであり、銅箔１７６の長さａ６は１５ｍｍである。フレキシブル基板１７２は、λ／４スタブ１２２及びλ／４変成器１２８の両方を構成するため、その長さ（即ちａ５＋ａ６）は３５ｍｍである。同軸ケーブルのプラグが装着されるＳＭＡ型レセプタクルであるレセプタクル１３６の中心線（即ち信号線）は銅箔１７６に接続され、レセプタクル１３６のグラウンドは銅箔１８０に接続されている。ダイヤモンド１０２は、銅箔１７４及び１７８の間の、フレキシブル基板１７２が切除された空間に配置されている。レセプタクル１３６の特性インピーダンスは５０Ωである。λ／４変成器１２８及びλ／４スタブ１２２の特性インピーダンスは、それぞれ２０Ω及び２００Ωである。

　ダイヤモンド光磁気センサ１７０は、図３に示した構成と同様に、直列共振回路として機能し、従来（図４参照）よりも増大した短絡電流を流せる。また、ダイヤモンド光磁気センサ１７０は、図５に示したのと同様に、ダイヤモンド１０２の内部に形成される磁界の強度を、従来（図４参照）よりも増大できる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１７０は磁気センサとして機能できる。

（第２変形例）
　上記した第１変形例では、λ／４スタブ１２２として線状の銅箔を用いる場合を説明したが、これに限定されない。第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、λ／４スタブ１２２として平面状の銅箔を用いる。

　図１４を参照して、第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ１８２は、図１３に示したダイヤモンド光磁気センサ１７０とは、λ／４スタブ１２２の構成が異なる。λ／４スタブ１２２は、銅箔１８４及び１８６により構成される。銅箔１８４及び１８６の各々は幅ｗ７が４ｍｍ、長さａ７が２０ｍｍであり、両者の間隔ｂ４は４ｍｍである。銅箔１８４及び１８６は、λ／４オープンスタブである。フレキシブル基板１８８は、ダイヤモンド光磁気センサ１７０と同様にフィルム状のポリイミドにより形成されているが、その長さａ６（ａ６＝１５（ｍｍ））は、ダイヤモンド光磁気センサ１７０のフレキシブル基板１７２の長さ（即ちａ５＋ａ６）よりも短い。ダイヤモンド１０２は、銅箔１８４及び１８６の間に配置されている。レセプタクル１３６の特性インピーダンスは５０Ωである。λ／４変成器１２８及びλ／４スタブ１２２の特性インピーダンスは、それぞれ２０Ω及び２００Ωである。

　ダイヤモンド光磁気センサ１８２は、図３に示した構成と同様に、直列共振回路として機能し、従来（図４参照）よりも増大した短絡電流を流せる。また、ダイヤモンド光磁気センサ１８２は、図５に示したのと同様に、ダイヤモンド１０２の内部に形成される磁界の強度を、従来（図４参照）よりも増大できる。したがって、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、ダイヤモンド光磁気センサ１８２は磁気センサとして機能できる。

　上記では、λ／４変成器１２８が、所定幅ｗ２のλ／４スタブ（即ち銅箔）により形成されている場合を説明したが、これに限定されない。図１５に示したように、幅ｗが段階的に変化するλ／４変成器であっても、図１６に示したように、幅ｗがテーパ状に滑らかに変化するλ／４変成器であってもよい。これらを、図３に示したλ／４変成器１２８に用いて構成したダイヤモンド光磁気センサも、上記したように、マイクロ波源１１０から出力するマイクロ波のパワーが従来よりも小さくても、磁気センサとして機能できる。

　上記では、インピーダンス変換器が変圧器又はλ／４変成器である場合を説明したが、これに限定されない。インピーダンス変換器に、マイクロストリップラインを用いてもよい。マイクロストリップラインの幅は、マイクロストリップラインの長さの１／２以下であることが好ましい。インピーダンス変換器にマイクロストリップラインを用いることにより、マイクロ波源とマイクロ波の照射部との間で、インピーダンスを容易且つ精度よく変換できる。

　上記では、ダイヤモンド光磁気センサがＮＶセンタを含む場合を説明したが、これに限定されない。電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンド光磁気センサであればよい。電子スピンを持つカラーセンタは、スピン三重項状態を形成し、励起されることにより発光するセンタであり、ＮＶセンタが代表例である。その他に、シリコン－空孔センタ（即ちＳｉ－Ｖセンタ）、ゲルマニウム－空孔センタ（即ちＧｅ－Ｖセンタ）、錫－空孔センタ（即ちＳｎ－Ｖセンタ）にも、電子スピンを持ったカラーセンタが存在することが知られている。したがって、これらを含むダイヤモンドを、ＮＶセンタを含むダイヤモンドの代わりに用いて、ダイヤモンド光磁気センサを構成してもよい。

　以下に、実施例を示し、本開示の有効性を示す。図１７に示した構成の測定装置を用いて、ＮＶセンタを有するダイヤモンドに励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。図１７を参照して、測定装置のうち、ダイヤモンド光磁気センサ２１６に含まれるダイヤモンド２１０に励起光を照射するための構成（即ち照射系）は、光源２００、コリメートレンズ２０２、ダイクロイックミラー２０４、球レンズ２０６及び光ファイバ２０８を含む。ダイヤモンド２１０から放射される蛍光を観測するための構成（即ち観測系）は、光ファイバ２０８、球レンズ２０６、ダイクロイックミラー２０４、ＬＰＦ（Ｌｏｎｇ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）２１２及び光検出器２１４を含む。ダイヤモンド２１０にマイクロ波を照射するための構成（即ちマイクロ波系）は、マイクロ波源（図示せず）と同軸ケーブル２２０とを含み、同軸ケーブル２２０を伝送されるマイクロ波は、ダイヤモンド光磁気センサ２１６を構成する共鳴器に共有される。

　励起光を発生させる光源２００には、ＬＤ（レーザダイオード）素子（具体的には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＬ５１５Ａ１）を用い、５ｍＷの緑色のレーザ光（即ち励起光）を発生させた。光源２００から出力される励起光を、コリメートレンズ２０２により集光させた後、ダイクロイックミラー２０４に入射させた。コリメートレンズ２０２には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＬＡ１１１６－Ａを用い、ダイクロイックミラー２０４には、駿河精機株式会社製のＳ０６－ＲＧを用いた。ダイクロイックミラー２０４に入射した励起光（即ち緑色光）は、ダイクロイックミラー２０４により反射される。その反射光を球レンズ２０６により集光し、光ファイバ２０８（具体的にはコア）に入射させ、光ファイバ２０８を伝送させた後、ダイヤモンド２１０に照射した。球レンズ２０６には、Ｏｐｔｏ　Ｓｉｇｍａ社製のＭＳ－０８－４．３５Ｐ１（直径８ｍｍ）を用いた。光ファイバ２０８には、コア径φ０．９ｍｍの光デジタルケーブルを用いた。

　ダイヤモンド２１０から放射される蛍光のうち光ファイバ２０８に入射した蛍光を、光ファイバ２０８を伝搬させた後、球レンズ２０６により平行光にして、ダイクロイックミラー２０４に入射させた。ダイクロイックミラー２０４に入射した蛍光（即ち赤色光）は、ダイクロイックミラー２０４を透過してＬＰＦ２１２に入射する。ＬＰＦ２１２を通過した蛍光を、光検出器２１４により検出した。ＬＰＦ２１２は、所定波長以上の波長の光を通し、所定波長より小さい波長の光をカット（例えば反射）する。ＬＰＦ２１２には、Ｏｐｔｏ　Ｓｉｇｍａ社製のＬＯＰＦ－２５Ｃ－５９３を用いた。光検出器２１４には、フォトダイオード（具体的には浜松ホトニクス株式会社製のＳ６９６７）を用いた。ダイヤモンドの放射光は赤色光であり、ＬＰＦ２１２を通るが、励起光はそれよりも波長が短いので、ＬＰＦ２１２を通らない。これにより、光源２００から放射された励起光が光検出器２１４により検知されてノイズとなり、検知感度が低下することを抑制した。

　ダイヤモンド光磁気センサ２１６の共鳴器として、図３に示したダイヤモンド光磁気センサ１２０の共鳴器と、図８に示したダイヤモンド光磁気センサ１５０の共鳴器と、図１０に示したダイヤモンド光磁気センサ３００の共鳴器とを用いた。それぞれの構成及び寸法は、上記した通りである。比較例として、図１８に示す構成及び寸法のマイクロストリップラインの共鳴器と、図１９に示す構成及び寸法のコプレーナ導波路の共鳴器とを用いた。図１８において、マイクロストリップラインが配置された誘電体基板の裏面全体には、グラウンドとして機能する導電体が配置されている。ダイヤモンドは、後述する立方体のダイヤモンドを、図１８及び図１９に示した位置に配置した。各共鳴器（図３、図８、図１０、図１８及び図１９参照）のレセプタクルに同軸ケーブル２２０のプラグ（図１７において図示せず）を装着して、マイクロ波を供給した。なお、図１８及び図１９に示した共鳴器において、同軸ケーブル２２０を接続しないレセプタクルは５０Ωの終端抵抗で終端した。

　同じダイヤモンドを用いて、本開示の構成及び比較例の構成により測定を行った。具体的には、タイプＩｂ型のダイヤモンドを用い、これに、電子線の加速エネルギー３ＭｅＶ、電子線のドーズ量３×１０^１８個／ｃｍ^２で電子を注入し、その後、８００℃で約１時間アニールし、ＮＶセンタを含むダイヤモンドを生成した。これを、１辺１ｍｍの立方体にカットして、測定で用いるダイヤモンド２１０を作製した。

　マイクロ波発生装置（図示せず）により発生させたマイクロ波（１Ｗ）を、同軸ケーブル２２０を用いてダイヤモンド光磁気センサ２１６まで伝送した。同軸ケーブル２２０には、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを用いた。同軸ケーブル２２０に供給するマイクロ波のパワーを、－１６ｄＢｍ～３０ｄＢｍの範囲で変化させた。また、マイクロ波の周波数を、２．７４ＧＨｚ～２．９４ＧＨｚの範囲で変化させた。マイクロ波のパワーを一定にして、マイクロ波の周波数を変化させると、図２０に示すように、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される赤色の蛍光の強度（即ち赤色光輝度）の谷が観測できる。これから、赤色光輝度の低下率であるスピン検出コントラスト比（即ち、グラフの谷の大きさＳを蛍光強度Ｓ０で除した値）が算出できる。ダイヤモンド光磁気センサの感度δＢ（即ち検出磁場Ｂの分解能）の理論式として、下記の式１が知られており、スピン検出コントラスト比は、感度δＢに影響する。

　式１中、γは磁気回転比（即ち定数）であり、電子の磁気回転比（即ち１．７６×１０^１１ｒａｄ／ｓ／Ｔ）に近い値である。ηは蛍光の検出効率、Ｃはスピン検出コントラストである。Ｎは励起光が照射され、且つ、蛍光が集光されるエリアに存在する負の電荷を持ったＮＶセンタの数である。Ｔ_２は電子スピンの横緩和時間である。上記の感度の理論式（式１）から、スピン検出コントラストが高いほど、感度δＢは小さくなり、感度が高くなる。

　上記した５種類の共鳴器（図３、図８、図１０、図１８及び図１９参照）に関して、上記したようにマイクロ波のパワーを変化させて、蛍光強度（即ち赤色光輝度）の谷を観測し、スピン検出コントラスト比を算出した。その結果を、図２１に示す。図２１において、白丸は、図３に示したλ／４オープンスタブの共鳴器を用いた結果である。黒丸は、図８に示したλ／４ショートスタブの共鳴器を用いた結果である。白三角は、図１０に示したλ／４オープンスタブの共鳴器を用いた結果である。白色四角は、図１８に示したマイクロストリップラインの共鳴器を用いた結果である。黒色四角は、図１９に示したコプレーナ導波路の共鳴器を用いた結果である。

　図２１から分かるように、λ／４オープンスタブの共鳴器（図３参照）を用いることにより、比較例（図１８及び図１９参照）よりも約２５ｄＢ（即ち、電力として１／３００）小さい電力のマイクロ波を用いて、同等のスピン検出コントラスト比が得られた。λ／４ショートスタブの共鳴器（図８参照）を用いることにより、比較例よりも約１０ｄＢ（即ち、電力として１／１０）小さい電力のマイクロ波を用いて、同等のスピン検出コントラスト比が得られた。また、４本の銅線を平行に配置したλ／４オープンスタブの共鳴器（図１０参照）を用いることにより、２本の銅線を平行に配置したλ／４オープンスタブの共鳴器（図３参照）よりもさらに２ｄＢｍ小さい電力のマイクロ波を用いて、同等のスピン検出コントラスト比が得られた。このように、本開示の共鳴器を用いることにより、従来よりも著しく小さいパワーのマイクロ波を用いても、ダイヤモンド光磁気センサを機能させ得る。

　第２実施形態の構成（図３参照）を用い、λ／４スタブを構成する銅線１３２及び１３４の直径、及び、ダイヤモンドの大きさを変更して、上記の実施例１（図１７参照）と同様に実験を行った。具体的には、銅線１３２及び１３４として、直径が０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍの銅線を用いた。比較例として、銅線１３２及び１３４として、直径が０．０２ｍｍ及び３ｍｍの銅線を用いた。ダイヤモンド２１０（図１７参照）には、厚さが０．８μｍ、１０μｍ、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ及び０．５ｍｍのものを用いた。

　その結果、直径が０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍの銅線を用いた場合、実施例１と同様の結果であった。即ち、図２１において、白丸で示した結果（即ち、銅線１３２及び１３４の直径が０．４５ｍｍの場合）と同様のスピン検出コントラスト比が得られた。一方、銅線１３２及び１３４として、直径が０．０２ｍｍの銅線を用いた場合、銅線の温度が上昇し、抵抗値が大きくなった。マイクロ波の出力が大きい場合、温度上昇を放置すると、銅線は断線した。また、銅線１３２及び１３４として、直径が３ｍｍの銅線を用いた場合、太過ぎて、共振のマッチングが取れず、スピン検出コントラスト比は０．００１以下に低下した。

　ダイヤモンド２１０（図１７参照）に関して、厚さが１０μｍ及び０．１ｍｍであるサンプルに関しては、実施例１と同様の結果、即ち図２１において白丸で示した結果と同様のスピン検出コントラスト比が得られた。一方、ダイヤモンド２１０の厚さが０．８μｍのサンプルに関しては、蛍光強度が小さくなり、光の検出が困難であった。ダイヤモンド２１０の厚さが０．５ｍｍのサンプルは、０．３ｍｍのサンプルと比較して、スピン検出コントラスト比が１／１０以下に低下した。

　以上、実施の形態を説明することにより本開示を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本開示は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本開示の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００、１２０、１４２、１５０、１７０、１８２、２１６、３００、３３０　　ダイヤモンド光磁気センサ
１０２、２１０　　ダイヤモンド
１０４、１２４、１４４、１５４　　共振器
１０６、１２６、１４６、１５６　　伝送回路
１０８、１４８　　インピーダンス変換器
１１０　　マイクロ波源
１２２、１５２、３０２、３３２　　λ／４スタブ
１２８、１５８、３０４、３３４　　λ／４変成器
１３０、１３８、１６４、１７４、１７６、１７８、１８０、１８４、１８６、３０８、３１２、３４４　　銅箔
１３２、１３４、１６０、１６２、３１０　　銅線
１３６　　レセプタクル
１４０　　誘電体基板
１７２、１８８、３０６、３４０　　フレキシブル基板
２００　　光源
２０２　　コリメートレンズ
２０４　　ダイクロイックミラー
２０６　　球レンズ
２０８　　光ファイバ
２１２　　ＬＰＦ
２１４　　光検出器
２２０　　同軸ケーブル
３３６　　モノポールアンテナ
３３８、３４２　　線状導体
９００、９０２、９０４　　導電体
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、ａ７、ａ８、ａ９　　長さ
ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｇ　　間隔
Ｃ１、Ｃ２　　キャパシタ
ｄ、ｄ１　　直径
ｅ１、ｅ２　　距離
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６、Ｈ７、Ｈ８　　磁界
Ｌ１、Ｌ２　　コイル
ｗ１、ｗ２、ｗ４、ｗ５、ｗ６、ｗ７、ｗ８　　幅
Ｚ１　　インピーダンス

Claims

　電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、
　電磁波を伝送する伝送回路と、
　前記伝送回路により伝送される前記電磁波を前記ダイヤモンドに照射する照射部とを含み、
　前記伝送回路は、前記電磁波を出力する電磁波源のインピーダンスを前記照射部から見て低く又は高くするためのインピーダンス変換器を含む、ダイヤモンド光磁気センサ。
　電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、
　電磁波を伝送する伝送回路と、
　前記伝送回路により伝送される前記電磁波を前記ダイヤモンドに照射する照射部とを含み、
　前記照射部は、共振器を含む、ダイヤモンド光磁気センサ。
　前記伝送回路は、前記電磁波を出力する電磁波源のインピーダンスを前記照射部から見て低く又は高くするためのインピーダンス変換器を含む、請求項２に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記インピーダンス変換器は、変圧器を含む、請求項１又は請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記インピーダンス変換器は、λ／４変成器を含む、請求項１又は請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記共振器は、λ／４スタブを含む、請求項２又は請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブは、λ／４オープンスタブを含む、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブは、λ／４ショートスタブを含む、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブは、平行に配置された２つの線状の導電体を含む、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブは、平行に配置された４つの線状の導電体を含む、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブは、２つの平板状の導電体を含み、
　前記２つの平板状の導電体は、相互に対向して平行に配置される、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記ダイヤモンドの厚さは、０より大きく０．３ｍｍ以下であり、
　前記２つの線状の導電体は、前記ダイヤモンドを挟み、前記ダイヤモンドの前記厚さ方向に離隔して配置される、請求項９に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記ダイヤモンドの厚さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、
　前記２つの平板状の導電体は、前記ダイヤモンドを挟み、前記ダイヤモンドの前記厚さ方向に離隔して配置される、請求項１１に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４変成器は、幅が連続的に変化するテーパ状に形成される、請求項５に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４変成器は、幅が離散的に変化する多段型に形成される、請求項５に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記インピーダンス変換器は、マイクロストリップラインを含み、
　前記マイクロストリップラインの幅は、前記マイクロストリップラインの長さの１／２以下である、請求項５に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記λ／４スタブの幅は、前記λ／４スタブの長さの１／２以下である、請求項６に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記ダイヤモンドの中心は、前記λ／４オープンスタブの前記伝送回路との接続端から所定範囲内に位置し、
　前記所定範囲は、前記λ／４オープンスタブの電気長の１／８以上３／８以下であり、
　前記ダイヤモンドの、前記λ／４オープンスタブの長手方向に沿った長さは、前記電気長の１／４以下である、請求項７に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
　前記ダイヤモンドの中心は、前記λ／４ショートスタブの短絡端から所定範囲内に位置し、
　前記所定範囲は、前記λ／４ショートスタブの電気長の１／８以上３／８以下であり、
　前記ダイヤモンドの、前記λ／４ショートスタブの長手方向に沿った長さは、前記電気長の１／４以下である、請求項８に記載のダイヤモンド光磁気センサ。