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論文

New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector

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:6 パーセンタイル:33.5(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 $$^{circ}$$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.

論文

NV centers in diamond used for detection of single ion track

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.

論文

Development of ion photon emission microscopy at JAEA

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.

論文

Diamonds utilized in the development of single ion detector with high spatial resolution

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 $$mu$$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.

口頭

イオン照射によるダイヤモンド結晶中の窒素空孔センターの生成

山本 卓; 小野田 忍; 大島 武; Naydenov, B.*; Dolde, F.*; Fedder, H.*; Honert, J.*; Jelezko, F.*; Wrachtrup, J.*; 寺地 徳之*; et al.

no journal, , 

ダイヤモンド結晶中の負に帯電した窒素空孔センター(NV)は、室温で動作可能な量子ビットとして最も有力な材料の一つであるが、応用的観点からはNVセンターを効率よく人工的に生成する必要がある。本研究では、イオン照射条件,熱処理条件,試料の品質の違い(欠陥量、おもに窒素濃度)で、NVセンターの生成にどのような影響があるかを系統的に調べた。その結果、NV生成の収率は照射量が多くなると下がる傾向にあり、照射エネルギーが高い方が収率が上がることがわかった。一方、マイクロビームによる局所的照射試料における収率は25%から数百%であり、ブロードビーム照射試料(例えば、照射量$$10^{9}/cm^{2}$$試料では4%)と比較すると収率が飛躍的に改善することがわかった。マイクロビーム照射試料において、収率がそれぞれの試料で異なることから、ダイヤモンド試料基板の質の違いがNV生成に重要な要素であることが示唆される。

口頭

Isotope enriched diamond growth by chemical vapour deposition

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 $$^{13}$$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.

口頭

ダイヤモンド薄膜の同位体濃縮

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$$^{13}$$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、$$^{13}$$Cを低減した$$^{12}$$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。

口頭

双極子双極子相互作用を制御したNVセンターの作成エンジニアリング

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,$$^{13}$$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1200$$^{circ}$$C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、1000$$^{circ}$$C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(700$$^{circ}$$C)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$$sim$$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。

口頭

NV中心を含むダイヤモンドに単一イオンが誘起する発光の検出

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, , 

高エネルギー重イオン1個が半導体に誘起するシングルイベント効果(Single Event Effect: SEE)を評価するために、ブロードビームと位置検出技術を組合せてマイクロビーム照射実験と同等の実験、つまりイオン誘起電荷のマッピング像を測定することができる装置の開発に取り組んでいる。不純物として窒素を多く含む単結晶ダイヤモンド基板に対して、室温で2MeVの電子線を照射し、空孔を導入した。熱処理を施すことで、窒素と空孔を結合させ、Nitrogen Vacancy (NV)センターを多量に含むダイヤモンドを作成した。フォトルミネッセンス測定により、NVセンターが含まれていることを確認した。この試料に対し、イオン照射を行った結果、単一イオン検出が可能であることがわかり、NVセンターを含むダイヤモンドが発光体として有望であることがわかった。

口頭

Single ion detection by ion beam induced luminescence from diamond containing NV centers

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.

口頭

ダイヤモンドへの低エネルギーイオン注入による発光センターの規則配列作製

小松原 彰*; 寺地 徳之*; 堀 匡寛*; 熊谷 国憲*; 田村 崇人*; 大島 武; 小野田 忍; 山本 卓; Muller, C.*; Naydenov, B.*; et al.

no journal, , 

ダイヤモンド中に発光中心を作製することで、量子計算及び量子通信などに応用することができる。本研究では、ダイヤモンドへシリコン(Si)イオンを格子状に照射することで、シリコン-空孔(Si-V)センターを作製し、SiVセンターの生成収率と位置精度の制御性について検討した。生成収率の測定のため、格子状に照射したSiイオンの数を各格子点あたり、2から1000個で変化させた。共焦点顕微鏡を用いて、SiVセンターの水平方向及び深さ方向の空間分布を測定した。観察の結果、SiVが規則的に格子状に生成されていることがわかった。しかし、1格子点あたり100個の場合、明瞭な格子状パターンを観測することができなかったことから、生成収率が1%以下であることが推定された。

口頭

Creation of nitrogen-vacancy centers in diamonds by nitrogen ion implantation

大島 武; 山本 卓; 小野田 忍; 阿部 浩之; 佐藤 真一郎; Jahnke, K.*; Heller, P.*; Gerstmayr, A.*; H$"a$ussler, A.*; Naydenov, B.*; et al.

no journal, , 

ダイヤモンド中のマイナスに帯電した窒素-空孔(NV$$^{-}$$)中心はスピンを利用した量子計算の観点から注目されている。高純度IIaダイヤモンドに窒素(N)イオンを注入することでNV$$^{-}$$の形成を試みた。本研究では、長いスピン緩和時間(T$$_{2}$$)を達成することを目的とし、スピン散乱の原因となる$$^{13}$$Cを減少させた高濃度$$^{12}$$C (99.99%)のダイヤモンドを化学気相法を用いて成長した。Nイオンは、打ち込んだNと試料にもともと残留していたNを区別するため、$$^{15}$$Nイオンを用い、10MeVのエネルギーでのマイクロビーム照射を行った。Nを打ち込んだ領域を共焦点顕微鏡及びODMR(optically detected magnetic resonance)で評価したところ、$$^{15}$$N由来のNV$$^{-}$$$$^{14}$$N由来のNV$$^{-}$$の両者が形成されることが見いだされた。T$$_{2}$$を測定した結果、両者のNV$$^{-}$$とも2msであり、イオン注入を用いて形成したNV$$^{-}$$のこれまでの報告値より10倍程度長い値であることが判明した。

口頭

Defect engineering in fabrication of NV centers by nitrogen ion implantation

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, , 

$$^{15}$$Nイオン照射で生成した高純度$$^{12}$$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、$$^{15}$$Nイオン照射によって$$^{14}$$NVと$$^{15}$$NVが[$$^{14}$$NV]/[$$^{15}$$NV] $$sim$$ 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。

口頭

イオン照射による同位体濃縮ダイヤモンド結晶中窒素-空孔発光中心の単一スピン光検出磁気共鳴評価

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。

口頭

単一欠陥をプローブにしたダイヤモンド結晶の共焦点蛍光顕微鏡評価

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。

口頭

ダイヤモンドへの低エネルギーイオン注入による発光センターの規則配列作製,2

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。

口頭

First demonstration of fluorescent nuclear track detector using nitrogen vacancy color centers in diamond

小野田 忍; 大島 武; 山本 卓*; 寺地 徳之*; Jelezko, F.*; 磯谷 順一*

no journal, , 

ダイヤモンド中の窒素-欠陥(NV)発光中心は、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。本研究では、NV発光中心の新たな応用先として蛍光飛跡検出器を提案した。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$$^{circ}$$C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。共焦点顕微鏡像と蛍光スペクトルから、たった1つのOsイオン照射によって形成された欠陥が、ダイヤモンド中の窒素不純物と結びついてNV発光中心を形成することが分かり、蛍光飛跡検出器としてダイヤモンドが利用可能であることを初めて実証した。

口頭

Magnetically-coupled diamond qubits by molecular nitrogen implantation

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。

口頭

Fabrication of silicon-vacancy center array in diamond by low-energy single-ion implantation

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1000$$^{circ}$$C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。

口頭

高純度$$^{12}$$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、$$^{12}$$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。

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