ダイヤモンド中に10兆分の1秒で瞬く磁化を観測 ~超高速時間分解磁気センシング実現に期待~

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2022-06-15 筑波大学,北陸先端科学技術大学院大学,科学技術振興機構

磁石や電流が発する磁気の大きさと向きを検出するデバイスや装置を磁気センサーと呼びます。現在では、生体中における微弱な磁気から電子デバイス中の3次元磁気イメージングに至るまで、磁気センサーの応用分野が広がりつつあります。磁気センサーの中で最も高感度を誇るのが、超伝導量子干渉素子(SQUID)で、1ナノテスラ(ナノは10億分の1)以下まで検出可能です。また、ダイヤモンドの点欠陥である窒素−空孔(NV)センターと走査型プローブ顕微鏡(SPM)技術を組み合わせることで、数十ナノメートルの空間分解能を持つ量子センシングが可能になると期待されています。

このように、従来の磁気センシング技術は感度や空間分解能に注目して開発されてきましたが、時間分解能はマイクロ秒(マイクロは100万分の1)の範囲にとどまっています。このため、磁場を高い時間分解能で測定できる新しい磁気センシング技術の開発が望まれていました。

本研究では、表面近傍にNVセンターを導入したダイヤモンド単結晶に超短光パルスを照射し、それにより10兆分の1秒で瞬く結晶中の磁化を検出することに成功しました。検出感度を見積もると、約35ミリテスラ(ミリは1000分の1)となりました。また、計測の時間分解能は、超短光パルスにより磁化を発生させたことにより、約100フェムト秒(フェムトは1000兆分の1)となりました。

本研究成果により、NVセンターでは従来困難だった高速に時間変化する磁気のセンシングも可能であることが示され、高い時間分解能と空間分解能を兼ね備えた新たな磁気センシングの開拓につながることが期待されます。

本研究成果は、2022年6月15日(現地時間)に「APL Photonics」に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構 CREST「ダイヤモンドを用いた時空間極限量子センシング(JPMJCR1875)」(研究代表者:長谷 宗明)、および日本学術振興会 科学研究費補助金「サブサイクル時間分解走査トンネル顕微鏡法の開発と応用」(研究代表者:重川 秀実)による支援を受けて実施されました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Ultrafast opto-magnetic effects induced by nitrogen-vacancy centers in diamond crystals”
DOI:10.1063/5.0081507
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
長谷 宗明(ハセ ムネアキ)
筑波大学 数理物質系・物理工学域 教授

安 東秀(アン トウシュウ)
北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 ナノマテリアル・デバイス研究領域 准教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
筑波大学 広報局
北陸先端科学技術大学院大学 広報室
科学技術振興機構 広報課

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