単一NVダイヤモンド量子センサーで最高感度実現：京都大学と産総研

京都大学化学研究所と産業技術総合研究所の研究グループは、人工合成したリンドープn型ダイヤモンドを用い、室温で世界最長となるNV（窒素−空孔）中心の電子スピンコヒーレンス時間を達成するとともに、単一NV中心を用いた量子センサーで世界最高の磁場感度を実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

リン濃度を最適化し室温で最長T₂を実現

　京都大学化学研究所の水落憲和教授とE.D.Herbschleb特定研究員および、産業技術総合研究所（産総研）の加藤宙光主任研究員らによる研究グループは2019年8月、人工合成したリンドープn型ダイヤモンドを用い、室温で世界最長となるNV（窒素−空孔）中心の電子スピンコヒーレンス時間（T₂）を達成するとともに、単一NV中心を用いた量子センサーで世界最高の磁場感度を実現したと発表した。

　近年は、高い品質のダイヤモンドを人工的に合成できるようになり、電子デバイスへの応用が期待されている。特に、超高感度センサーや量子情報素子などでは、ダイヤモンド中のNV中心が注目されている。室温で単一のNV中心が有するスピンを観測できることや、他の材料に比べてT₂が長いだめだ。センサー応用でも高い空間分解能と感度を実現できるという。

左はダイヤモンド中のNV中心の構造。右はハーンエコー信号の測定結果 出典：京都大学、産総研

　水落氏らはこれまで、産総研が作製したリンドープn型ダイヤモンドを用い、単一NV中心の電荷を安定させる研究を行ってきた。この中で、NV中心のT₂を長くすることにリン濃度が関与していることを発見した。これまでは、「リンを添加するとNV中心のT₂は短くなる」というのが定説であった。

　これを検証するため研究グループは、リン濃度のみを変えた複数の試料を産総研グループが作製し、それぞれのT₂を測定した。この結果、リン濃度が約10¹⁶/cm³の試料では、T₂が2.4ミリ秒となった。これまでは室温だと最長T₂が1.8ミリ秒にとどまっていた。最適なリン濃度に近い別の試料4個でも、2ミリ秒以上のT₂を観測したという。

　さらに、T₂が2.4ミリ秒の単一NV中心で、交流磁場感度を見積もった。この結果、9nT/√Hzとなり、室温における世界最高値を記録した。自由誘導減衰時間（T₂^*）も1.5ミリ秒となり、これまで報告されている0.47ミリ秒を大きく上回った。

　CVD（化学気相堆積）法によるダイヤモンド合成では、合成中に空孔欠陥が生じると考えられていた。合成中にこの空孔欠陥がさらに複合結合し複合欠陥を生み出していた。この複合欠陥が磁気ノイズ源となっていたが、熱的に安定しており取り除くことは難しかったという。今回は、合成中に生じた空孔欠陥が電荷を帯び、複合欠陥の生成が抑制されたことで、T₂の長時間化につながったとみている。

CVD法によるダイヤモンド合成 出典：京都大学、産総研

　研究グループは、さらに精密なノイズ測定を行った。この結果、ノイズ源はリン以外の不純物欠陥の電子スピンであることを突き止めた。これらを取り除くことができれば、T₂のさらなる長時間化や感度向上が可能となる。また、多数のNV中心を一度に計測できる試料を合成すれば、センサー感度をさらに高めることができるという。