炭化ケイ素（SiC）中の単一光子源（SPS）を用いた量子センシング・イメージング

大島 武

量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門

高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部

量子科学技術委員会（第5回）2016年8月25日（木） 大島 武1

資料３－３科学技術・学術審議会先端研究基盤部会

量子科学技術委員会（第５回）平成２８年８月２５日

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量子センシング vs. 従来センシング

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ハミルトニアン

→ 電子スピンを利用

従来センシング

→ 材料の電圧や抵抗変化を利用

量子センシング

熱電対測温抵抗体（金属）

サーミスタ（半導体）

温度センサ 磁気センサ

ホールセンサ磁気抵抗センサ

H = gμBSB + SDS + SAI - …..

g: g値, μB: ボーア磁子, S: 電子スピン, B: 磁場, D:ゼロ磁場分裂テンソル, A: 超微細相互作用テンソル, I: 核スピン

ゼーマン分裂 ゼロ磁場分裂超微細相互作用

磁場センシング 温度センシング

etc.etc.

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量子センシング（磁場計測）

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S=1の場合の非発光となるマイクロ波周波数と磁場の関係

ゼーマン分裂

MS=±1では非発光→周波数Dで非発光

0

MS=-1

MS=0

MS=+1

磁場

D (Hz)

D (Hz)

マイクロ波周波数

発光強度

H = gμBSB + SDS + SAI - …..ゼーマン分裂 ゼロ磁場分裂

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量子センシングの特長

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→ 100 nT/Hz1/2 [D. Simin et al., Phys. Rev. X 6, 031014 (2016)]

→ 1 K/Hz1/2 [H. Kraus et al., Scientific Reports 4, 5303 (2014).]

メリット

空間分解能：単一SPS（nm）～大量SPS（mm以上）

デメリット

高感度： δBまたはδT∝1/(N×T2)1/2SPS: 単一光子源, δB: 磁気感度, δT:温度感度, N: SPS中のスピン量, T2 : スピン―スピン緩和時間

まだSPS作製技術、測定技術の最適化がなされていない→ 高濃度SPS導入、且つ、長T2の確保→ 不要な核スピンの排除（28Si, 12C濃縮SiC）

原理的には、従来センシング技術に比べてデメリットはないが、

現在、SiCでは

SiCに関しては

従来センシングでは不可能な位置分解能 SQUIDと同程度のfTレベルも可能

室温で

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炭化ケイ素（SiC）に関して

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SiCは、ワイドバンドギャップ半導体のひとつ

Si GaAs SiC (4H) GaN Diamond

バンドギャップ (eV) 1.12 1.42 3.26 3.42 5.47熱伝導度 (W/cmK) 1.5 0.5 4.9 1.3 20.9電子移動度 (cm2/Vs) 1350 8500 1000 1200 1800正孔移動度 (cm2/Vs) 450 420 120 400 1600誘電率 11.9 12.9 9.7 9.5 5.9飽和ドリフト速度(107cm/s) 1 2 2.2 2.4 2.5絶縁破壊電界 (MV/cm) 0.3 0.4 2.8 3 8真性半導体温度 (K) 600 850 1400 2000 3000Johnson指数* 1 1.8 420 580 4400

*Johnson指数（絶縁破壊電界x飽和ドリフト速度2）：高速大電力デバイス

超低損失パワーエレクトロニクス（パワエレ）として盛んに研究開発

→ 材料（基板）が安定供給可能→ 着実な基板の高品質化→ デバイスプロセス技術が発達

六方晶（4H, 6H）や立方晶（3C）といった結晶多形が存在→ パワエレの観点では4H-SiCが研究の中心

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700 800 900 1000

Nor

mal

ized

inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Wavelength (nm)SiC (4H)の室温フォトルミネッセンススペクトラム。励起光660nm

300 K

VSi

TO, LO

CSiVC

炭化ケイ素（SiC）中のSPS

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ダイヤモンド中の窒素―空孔（NV）センターは室温動作のSPSとして有名であるが、SiC中にも室温動作SPSの存在が見いだされている

量子センシングには電子スピン操作が必要

VSiCSiVC

室温でのスピン制御が報告[M. Widmann et al., Nature Materials 14, 164 (2015)]

VSiVC

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SiC中SPS量子センシングの可能性

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SiC中のVSiの特長

生物・医療分野

室温スピン制御可能

発光波長が近赤外（900nm付近）

材料・エネルギーや生物・医療といった様々な分野での局所磁場や温度センシングに応用可能

特長を活かせる分野として、

900nmの発光波長は深部（例えば小動物）までの観察が可能

ナノ粒子

プレート量子ビームによる

SPS導入

SiCの高い安定性（生物にとって無害）

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SiC中SPSの生物・医療分野での量子センシング

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高品質VSi形成技術

3年5年

10年

高精度・高確度VSi中電子スピン制御技術

細胞内局所温度、磁場計測

小動物局所温度、磁場計測

30年

生物局所反応ダイナミクス観察

生命活動探求のための高性能センシング技術

局所磁場や温度センシングに応用可能

神経伝達

DNA損傷

がん発生

再生医療

Waveguide

WaveguideSPSチップ（デバイス）化

SPS内包デバイス（ナノテク）

電流注入

電流誘起発光

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国内外のSiC中のSPS研究動向

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SiC中のSPS研究は、まだ5年程度室温SPSで有名なダイヤモンド中NVに比べ、歴史も研究人口も少ないのが現状

D. Awschalom (U. Chicago)[previously, UC Santa Barbara]

B. Johnson (U. Melbourne)S. Castelletto (RMIT U)

A. Gali (Hungarian Academy of Sci.)

N. T. Son (U. Linköping)E. Janzĕn (U. Linköping)

G. Astakhov (U. Wűrzburg)V. Dyakonov (U. Wűrzburg)

S. Y. Lee (U. Stuttgart)J Wrachtrup (U. Stuttgart)

QST, 筑波大, 埼玉大, 東工大

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国内外のSiC中のSPS研究動向

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SPS探索、SPS特性評価（スピン制御）研究というフェーズ

CSiVCが室温動作SPSであることを発見

-80 -40 0 40 800.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

g2 ()

Delay (ns)

ナノ立方晶SiC粒子中へCSiVC形成とSPS特性の確認

Nature Materials 13, 151 (2014) ACS Nano 8, 7938 (2014)

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国内外のSiC中のSPS研究動向

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VSiの室温スピン制御 VSiVCのスピン緩和時間（T2）の測定（20K）

Nature Materials 14, 160 (2015)

室温でスピン操作に成功

Nature Materials 14, 164 (2015)

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国内外のSiC中のSPS研究動向

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VSiを用いた磁場及び温度計測 VSiを用いた磁場測定（28Si濃縮SiCを用いて

高感度化達成）

磁場や温度センシングの報告は

温度感度1 K/Hz1/2

Scientific Reports 4, 5303 (2014)Phys Rev X 6, 031014 (2016)

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国内外のSiC中のSPS研究動向

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ダイオード中に新規のSPSを発見

SiCの特長であるデバイス化技術とSPSを融合させ

高輝度であるが構造未同定

Nature Communications 6, 7783 (2015)スピンも未観測

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世界 vs. 日本

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日本の優位性

パワエレとしてのSiC研究は世界をリード高品質SiC成長技術デバイスプロセス技術（加工、伝導制御、酸化膜形成、電極形成など）

日本の弱点

SPSの観点からのSiC研究は我々だけ = 研究者不足（パワエレ研究が盛んな分、他の研究が行われてこなかった）

量子ビーム（SPS形成）の高い技術QSTの持つ量子ビーム（電子及びイオン加速器）施設SiC半導体の放射線照射研究で培った知識・経験

SiC中のVSiは室温動作可能SPS、近赤外発光→ 量子センシング応用のため注力する価値は大いにあり

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今後の方向性

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SiCパワエレ開発で培った技術の活用

強さを活かした研究展開

各種プロセス

欠陥エンジニアリング技術の活用

量子ビーム技術（SPS形成）

測定技術向上（高精度・高感度化）

ナノ粒子へSPS導入（生物・医療展開）

結晶成長

量子センシング技術の高度化

量子センシング技術の活用

生物・医療分野に活用し、科学的に高価値な成果

デバイスへSPS導入（SiCの特長を活用）

量子情報通信などにも成果が波及

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研究推進の課題

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SiC中のSPSを用いた量子センシングの高度化に向けて量子センシング基盤技術（高品質材料作製、高効率SPS導入、高精度評価技術）確立のための総合的な取り組み

→ 各機関の強みを活かした共同研究型プロジェクト量子センシング技術を活用し優れた成果創出に向けて量子センシング技術（固体物理）研究者とユーザー（生物・医療）研究者の融合研究

→ シーズとニーズをマッチさせた共同研究型プロジェクト

日本が世界をリードするために

上記を支える人材育成、中長期的な予算確保、及び世界との競争と協調

のバランスも大切

共通技術も多いダイヤモンド中NVといった他の量子センシング材料も含む総合的な研究開発体制・拠点