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小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武
Physica Status Solidi (A), 212(11), p.2641 - 2644, 2015/11
被引用回数：12 パーセンタイル：44.59(Materials Science, Multidisciplinary)Nitrogen-vacancy (NV) center in diamond is a luminescent point defect with applications of quantum computation and atomic scale sensors. One of the most important features of NV center is high emission rate. This enables single NV centers to be detected using a confocal laser scanning microscope. In this study, we propose a new application of NV centers as a single ion track detector. We perform 490 MeV Os ion irradiation to diamond grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. After high temperature annealing at 1000 
C, the ion track is able to be visualized by using confocal laser scanning microscope. In short, we have successfully detected ion track in diamonds.
春山 盛善; 小野田 忍; 加田 渉*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 大島 武; 花泉 修*
Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.184 - 187, 2015/11
We propose that diamond can be utilized as a new Fluorescent Nuclear Track Detector (FNTD) material. For this aim, we focus on Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. One of the most important features of a NV center is a high emission rate, which enable us to observe single NV center. After high energy ion irradiation and subsequent annealing, we successfully observe Os ion tracks in various diamonds containing dense nitrogen impurity. However, Os ion track cannot be observed from diamond without nitrogen impurity. We found that the optimization of nitrogen impurity is a key issue for developing high sensitive FNTD based on diamond.
小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*
Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.93 - 96, 2012/12
We have developed two systems to acquire two-dimensional maps of Single Event Effects (SEEs) by using focused microbeams. While the microbeam has many advantages for SEE testing, the transport and optimization of the microbeam requires much time and effort, especially for high energy heavy ions. Therefore the mapping system with less effort is required, and we are developing the Ion Photon Emission Microscopy (IPEM). Since the spatial resolution is determined by the spot size and the intensity of luminescence, the scintillator is one of the most important parts of IPEM. We propose that the diamond containing Nitrogen Vacancy (NV) centers can be used as a scintillator. For both diamond and YAG:Ce proposed by Sandia National Laboratories, the minimum spot size is a few micrometers. IBIL intensity from diamond is four times higher than that from YAG:Ce. Therefore, we propose that the diamond containing NV centers is a rival candidate of YAG:Ce for IPEM.
小野田 忍; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*
Transactions of the Materials Research Society of Japan, 37(2), p.241 - 244, 2012/06
To develop the single ion detection system with high spatial resolution, the ion induced luminescence was evaluated. By capturing the ion induced luminescence from a diamond by using Charge Coupled Device (CCD) Camera, the spot size and location of ion induced luminescence were evaluated. It was found that the full width at half maximum (FWHM) of spot is about 4 
m. The position where ion hits the sample can be calculated from the center of mass of each spot. We performed the same experiment by using YAG which is proposed by previous studies. We found that the diamond is comparable to YAG from the point of view of spatial resolution. In addition, the intensity of luminescence from diamond was slightly higher than that from YAG. According to these results, we suggest that both diamond and YAG:Ce are suitable for single ion detection with high spatial resolution.
田村 崇人*; 小松原 彰*; 寺地 徳之*; 小野田 忍; 大島 武; Christoph, M.*; Naydenov, B.*; McGuinness, L.*; Jelezko, F.*; 品田 賢宏*; et al.
no journal, ,
量子情報通信において有望な系の一つに挙げられるダイヤモンド中のSiVセンター(シリコンと原子空孔からなる発光センタ)の作製に関する研究を行った。早稲田大学が開発した数十keV級低エネルギー単一イオン注入技術を用いて、狙った位置にSiイオンを1個ずつ注入するとともに、その位置に同時に形成される空孔欠陥を再結合させることで、SiVセンターを作製した。作製したSiVセンターの共焦点顕微鏡像を観察したところ、狙い通り500nm間隔でSiVセンターの規則配列が形成されていることがわかった。さらに、注入イオン数に対する発光センターの生成数を調べた結果、1スポットあたりの注入イオン数が100個の領域においてSiVセンターからの発光が確認され、SiVセンターの生成収率が1%以上であることが明らかとなった。
山本 卓*; Muller, C.*; McGuinness, L.*; 寺地 徳之*; Naydenov, B.*; 小野田 忍; 大島 武; 小泉 聡*; Wrachtrup, J.*; 磯谷 順一*; et al.
no journal, ,
化学気相成長(CVD)法によって作製した高品質ダイヤモンドに、低エネルギーの窒素分子イオン注入によって窒素と欠陥を導入するとともに、炭素イオン照射によって欠陥を追加で導入した。その後、高温熱処理を施すことで、窒素-空孔(NV)量子ビットを作製した。本研究から、単一のNV量子ビットについては36%の高効率で、NV量子ビットのペアについては4%の効率で作製することに成功し、従来よりも高い収率を実現することができた。また、55kHzの磁気双極子結合強さや0.6msを超える長いコヒーレンス時間を有するNV量子ビットのペアを見いだすことができた。以上のように、本研究では、量子コンピュータへの応用に欠かせない長いコヒーレンス時間を持つ2量子ビット化を実現できた。
田村 崇人*; 小松原 彰*; 寺地 徳之*; 小野田 忍; McGuinness, L.*; Jelezko, F.*; Rogers, L.*; 大島 武; 磯谷 順一*; 品田 賢宏*; et al.
no journal, ,
化学気相成長(CVD)法によって作製した高品質ダイヤモンドに、60keVのシリコン(Si)イオンを500nm間隔の格子状に注入し、水素10%のホーミングガス中で1000Cで30分の熱処理を行った。共焦点顕微鏡でシリコン-空孔複合欠陥(SiV)を観察した結果、500nm間隔でSiVが形成できていることが分かった。各格子点に注入するSiイオンの数を変えていくことで生成率を評価した結果、少なくとも数%の生成率となることが明らかとなった。また、試料表面を水素もしくは酸素で終端することで、表面起因の発光を抑える効果があることが明らかとなり、共焦点顕微鏡像を得る際のノイズレベルを下げることに成功した。
C同位体濃縮ダイヤモンドのホモエピタキシャル合成寺地 徳之*; 山本 卓*; 小泉 聡*; 渡邊 賢司*; 谷口 尚*; 小野田 忍; 大島 武; Naydenov, B.*; Jelezko, F.*; 磯谷 順一*
no journal, ,
本研究では、C炭素同位体比が天然存在比より約3桁高い同位体濃縮メタンガスを用いてダイヤモンド薄膜を合成し、その発光特性を評価した。発光特性の評価には、窒素イオンを照射することで作製した窒素-空孔欠陥(NVセンター)からの発光を利用した。測定の結果、照射領域からはNVセンター固有の発光スペクトルが観測された。NVセンターに加えて、シリコン-空孔欠陥(SiVセンター)が、0.01ppb以下の密度ではあるが、照射領域近傍で観測された。一方、照射領域以外からは余分な発光が検出されることはなく、良質のダイヤモンドホモエピタキシャル膜が作製できたといえる。
小野田 忍; 大島 武; 寺地 徳之*; Jelezko, F.*; 磯谷 順一*; 伊藤 久義
no journal, ,
ダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)カラー中心は、量子コンピュータや微弱磁気センサとしての応用が期待されている。我々は、NVカラー中心の新たな応用先として蛍光飛跡検出器を提案している。実験は、高温高圧法によって作製されたダイヤモンドに490MeVのOsイオンを照射し、1000度で2時間の熱処理を行った。その後、共焦点顕微鏡によって微弱な蛍光を測定した。Osイオンをダイヤモンド基板とほぼ平行に照射することで、飛跡に沿って形成されたNVカラー中心を観察することに成功した。
寺地 徳之*; 谷口 尚*; 渡邊 賢司*; 小泉 聡*; 小野田 忍; 大島 武; 磯谷 順一*
no journal, ,
Homoepitaxial single crystal diamond films and polycrystalline diamond free-standing films were grown by means of microwave-assisted chemical vapour deposition (MPCVD). Methane that is isotopically controlled into 
C depleted gas was used as a source gas. In order to fulfil both the higher quality and higher growth rate, diamond films were grown under the high power MPCVD condition. It was found that the free exciton emission was intensively observed from the homoepitaxial diamond (100) films. This fact indicates the high quality of diamond films was obtained by this method. The free exciton emission was also detected from polycrystalline free-standing diamond, although the intensity was weaker than those of homoepitaxial film. These enriched diamond crystals are attracted for improving thermal conductivity and coherence time of nitrogen-vacancy (NV) centers.
寺地 徳之*; 小野田 忍; 小泉 聡*; Liao, M.*; 谷口 尚*; 大島 武; Jelezko, F.*; Wrachtrup, J.*; 磯谷 順一*
no journal, ,
炭素を同位体濃縮させることで、ダイヤモンドのさまざまな物性が向上することが知られている。たとえば、量子計算応用における窒素-空孔複合欠陥(NVセンター)に局在する電子のスピン緩和時間も、同位体濃縮することで改善する。つまり、スピン緩和時間を向上させるため、結晶内の窒素低減やC炭素存在比を天然存在比のものより小さくすることが求められる。本研究では、窒素濃度低減に加え、Cを低減したC同位体濃縮ダイヤモンド薄膜を化学気相合成し、その特性評価を行った。その結果、気相での同位体濃縮度が固相変換後も保たれ、窒素不純物などが少ないダイヤモンド薄膜を成長することに成功した。
小野田 忍; 山本 卓; 阿部 浩之; 花屋 博秋; 大島 武; 谷口 尚*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*; 小泉 聡*; 神田 久生*; et al.
no journal, ,
量子情報素子や磁気センサーへの応用,超伝導キュービットとのハイブリッド系が注目されている窒素-空孔(NV)センターでは、電子スピンを持つ不純物窒素や欠陥による双極子場,C核スピンの双極子場,他のNVセンターの双極子場など、コヒーレンス時間を短くする要因をできるだけ排除して、最適の濃度あるいは配列を作成するエンジニアリングが求められる。窒素濃度,同位体濃度の異なる結晶にイオン照射や熱処理,高温電子線照射を行い、それぞれの応用に対して最適のものを求める試みを行った。熱処理を800から1200Cまで変化させてNVセンターやそれ以外の欠陥を調べた結果、1000Cの熱処理が最も優れていることを明らかにできた。また、マイクロビームとシングルイオンヒット技術を利用して、量子情報素子の最も基本的なNVセンターのペアを作成することに成功した。さらに、空孔が格子中を動き回るような高温(700C)の電子線照射を用いることにより、NVセンターの広い濃度領域(2
30ppm)に渡って、コヒーレンス時間が、残存する窒素の双極子場の搖動ではなく、NVセンター同士の双極子双極子相互作用で決まるような作成法に成功した。
小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*
no journal, ,
The Ion Photon Emission Microscopy (IPEM) gives us two-dimensional maps of Single Event Effects (SEEs). To observe the map, the position where the single ion strikes a scintillator placed over a microelectronics circuit is recorded together with SEE signal. Since the spatial resolution is determined by the spot size and the intensity of the Ion Beam Induced Luminescence (IBIL), the scintillator is one of the most important parts of IPEM. In this study, we propose that the diamond containing Nitrogen Vacancy (NV) centers can be used as a scintillator. The results obtained from diamond were compared to those of YAG:Ce. For both cases, the averaged spot size of a few micrometers is observed. The IBIL intensity from diamond is 4 times higher than that from YAG:Ce. According to these results, we suggest that diamond containing NV centers is a rival candidate of YAG:Ce from the point of view of single ion detection with high spatial resolution.
山本 卓; 小野田 忍; 大島 武; 磯谷 順一*; 寺地 徳之*; 谷口 尚*; 渡邊 賢司*; 小泉 聡*; 梅田 享英*; Jelezko, F.*; et al.
no journal, ,
Nイオン照射で生成した高純度C濃縮ダイヤモンド中のNV中心について、単一スピンの光学的検出磁気共鳴を測定した。詳細な光学的検出磁気共鳴測定から、Nイオン照射によって
NVとNVが[NV]/[NV] 1の比で生成され、収率(イオン照射量に対する生成したNV中心の割合)は70-100%であることがわかった。スピンコヒーレンス時間は室温で2msと長く、これまで報告されているイオン照射試料の中で最も長いことがわかった。これらの結果は、イオン照射で生成したNVスピンを用いた応用が十分期待できると結論できた。
山本 卓; 小野田 忍; 大島 武; 寺地 徳之*; 渡邊 賢司*; 谷口 尚*; 小泉 聡*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; McGuinness, L.*; et al.
no journal, ,
窒素イオン注入と熱処理によって生成した同位体濃縮ダイヤモンド単結晶中の窒素空孔発光中心(NV)のスピン特性を、共焦点顕微鏡による光学的検出磁気共鳴法を用いて詳細に測定した。スピンエコー測定の結果、電子スピンコヒーレンス時間は、イオン照射したNVとしては最長の2ミリ秒、表面付近(15ナノメートルの深さ)でも500マイクロ秒以上と非常に長いことがわかった。これらの結果は、良質な同位体濃縮結晶の結晶性と不純物スピンの低減、及び、熱処理による十分な照射損傷の回復を反映している。また、窒素分子イオン照射による近接するNVペアの作製に成功し、2つのNVスピン間の磁気的結合にも成功した。これらの単一NVのスピン特性は、室温で動作可能なナノマグネトメトリーや量子情報処理への応用が期待できる。
山本 卓*; Muller, C.*; McGuinness, L.*; 寺地 徳之*; Naydenov, B.*; 小野田 忍; 大島 武; 小泉 聡*; Wrachtrup, J.*; Jelezko, F.*; et al.
no journal, ,
ダイヤモンド中の負に帯電した窒素空孔欠陥(NV)の電子スピンは、初期化・操作・読み出しを室温大気環境下で行なえるほぼ唯一の固体量子ビットである。量子コンピュータ実現のためには、多量子ビット化が重要である。2つのNVスピン間の磁気的結合や量子もつれが観測されているが、ゲート操作時間に比べて短いスピンコヒーレンス時間のために忠実度の高い量子もつれ生成の実証には至っていない。最近、我々は高純度C濃縮結晶を用いて窒素イオン照射で生成したNVにおいて最長のコヒーレンス時間(2ms)を達成した。本研究では、得られたコヒーレンス時間の長いNVを用い、ナノスケールの距離に隔てられた2つのNV量子ビット間の磁気的結合に取り組んだ。二重電子電子共鳴測定とスピンエコー測定を行うことで、作製した2量子ビットを用いて99.9%以上の高い忠実度のスピン操作できる可能性を示した。
山本 卓*; Muller, C.*; McGuinness, L.*; 寺地 徳之*; Naydenov, B.*; 小野田 忍; 大島 武; 小泉 聡*; Wrachtrup, J.*; Jelezko, F.*; et al.
no journal, ,
量子ビットへの応用が期待されるダイヤモンド中の窒素-空孔欠陥(NV)センターの効率的な形成技術の確立を目指し、窒素分子(N
)イオンと炭素(C)イオンの共注入を試みた。試料にはCを99.998%濃縮したガスを原料に化学気相法で作製した高品質・高純度ダイヤモンドを用い、20keVのエネルギーでN分子イオン及びCイオンを室温で注入した。注入後に真空中で1000C、2時間の熱処理を行った。共焦点顕微鏡を用いた光検出磁気共鳴(ODMR)評価を行いNVセンターの生成効率を評価したところ、NイオンとCイオンの共注入を行った試料は36%、比較のため作製したNイオン注入のみの試料は20%となり、共注入を行うことで生成効率が向上することが明らかとなった。また、量子ビット応用に重要となるスピン緩和時間を見積もったところ、両試料とも約0.8msであり、従来報告されている表面付近に存在するNVのスピン緩和時間に比べ長いことから、良質なNVが形成できていることも確認された。
田村 崇人*; 小池 悟大*; 寺地 徳之*; 小野田 忍; McGuinness, L.*; Rogers, L.*; Christoph, M.*; Naydenov, B.*; Wu, E.*; Yan, L.*; et al.
no journal, ,
量子情報通信において重要な要素技術の1つである単一光子源として知られているシリコンと原子空孔からなるSiVセンターの生成収率を調べた。以前の研究で、60keVの低エネルギーSiイオンをスポット状に集束させてダイヤモンドに注入することで、SiVセンターの配列を作製することが可能であることを見出している。本研究では、1スポットあたりの注入イオン数を減らしていき、たった1つのSiVセンターを作製するための最小イオン注入量を求め、SiVセンターの収率を調べた。その結果、60keVの低エネルギーSiイオン注入の場合、SiVセンターが形成される収率が15%であることが分かった。
小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; Christoph, M.*; McGuinness, L.*; Balasubramanian, P.*; Naydenov, B.*; Jelezko, F.*; 小池 悟大*; et al.
no journal, ,
室温動作可能な量子ビットとして応用可能な良質な窒素・空孔(NV)を実現するためには、C、格子位置の不純物窒素、格子欠陥等の余剰なスピンを取り除く必要がある。狙った箇所にNVを形成することが容易なイオン注入は、窒素イオンを効率よくNVに変換可能という利点があるが、一方で余剰な欠陥を残留させない工夫が必要がある。本研究では、原子空孔の挙動を調べる目的で、keVからサブGeVのイオンビームを用いて、異なる濃度・分布の原子空孔を導入し、その後、1000Cの熱処理を施して原子空孔を拡散させてNVを形成した。NVの分布を解析することで打込んだイオンと原子空孔の挙動を考察した結果、生成されたNVは熱拡散せず安定に存在することが判明した。また、NVが安定であることから、NVの分布を調べることでイオンの飛跡が検出できることも見出した。
小野田 忍; 阿部 浩之; 山本 卓; 大島 武; 谷口 尚*; 寺地 徳之*; Siyushev, P.*; Tran, T. H.*; Yang, S.*; Fedder, H.*; et al.
no journal, ,
ダイヤモンド中の欠陥の一つであるNV(窒素-空孔)センターは、炭素を置換した窒素と隣接位置の空孔とのペアーであり、量子ビットや磁気センサーとしての応用が期待されている。NVセンターは、電子基底状態と励起状態が三重項状態となっている。縮退している励起準位は、低温(4K)になると二つに分裂することが知られている。それぞれの準位はそれぞれが三重項状態となっているため、6つの準位を持つ。励起準位の分裂の程度は、歪みが大きくなると大きくなり、1GPaの外部圧力によって10THzの分裂が起こる。逆にいえば、励起状態の各エネルギー差を測定することで、NVセンターを取り巻く歪みの大きさを検出することが可能となる。NVセンターは光吸収係数・蛍光量子効率が高く、単一のNVセンターでさえ検出が可能という特徴があることから、本研究では、個々のNVセンターが存在する場所の歪みを、高感度かつ高空間分解能で引き出すことに取り組んだ。その結果、他の方法では得られない感度,空間分解能で、残留歪みの大きさと分布、不純物分布を得ることに成功した。
