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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6117926
(24)【登録日】2017年3月31日
(45)【発行日】2017年4月19日
(54)【発明の名称】ナノスケール走査センサ
(51)【国際特許分類】
G01Q 60/42 20100101AFI20170410BHJP
G01Q 60/54 20100101ALI20170410BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20170410BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20170410BHJP
【ＦＩ】
G01Q60/42
G01Q60/54 101
G01N21/64 E
G01R33/02 Z
【請求項の数】20
【全頁数】39
(21)【出願番号】特願2015-528559(P2015-528559)
(86)(22)【出願日】2013年8月20日
(65)【公表番号】特表2015-529328(P2015-529328A)
(43)【公表日】2015年10月5日
(86)【国際出願番号】US2013055644
(87)【国際公開番号】WO2014051886
(87)【国際公開日】20140403
【審査請求日】2015年4月3日
(31)【優先権主張番号】61/692,077
(32)【優先日】2012年8月22日
(33)【優先権主張国】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】507044516
【氏名又は名称】プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(72)【発明者】
【氏名】グリノルズ， マイケル エス．
(72)【発明者】
【氏名】ホン， スンクン
(72)【発明者】
【氏名】マレティンスキー， パトリック
(72)【発明者】
【氏名】ヤコビー， アミール
【審査官】
山口 剛
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１０／０５１５８０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
P. Maletinsky, et al.，A robust scanning diamond sensor for nanoscale imaging with single nitrogen-vacancy centres，Nature Nanotechnology，２０１２年 ４月１５日，Vol.7, No.5，第３２０−３２４頁
【文献】
J. M. Taylor, et al.，High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution，Nature Physics，２００８年 ９月１４日，Vol.4，第８１０−８１６頁
【文献】
L. Rondin, et al.，Nanoscale magnetic field mapping with a single spin scanning probe magnetometer，APPLIED PHYSICS LETTERS，２０１２年 ４月 ９日，Vol.100, No.15，第153118-1 - 153118-4頁
【文献】
D. Le Sage, et al.，Efficient photon detection from color centers in a diamond optical waveguide，Physical Review B，２０１２年 ３月２３日，Vol. 85, No.12，第121202-1 - 121202-4頁
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｑ １０／００ − ９０／００
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダイヤモンド材料から形成された検知プローブであって、前記検知プローブは、
蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥と、
前記ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造であって、前記光取り出し構造は、前記１つ以上のスピン欠陥によって放出された前記蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、光取り出し構造と
を備え、
前記光取り出し構造を含む前記検知プローブは、長さが１μｍよりも長い少なくとも１つの線形寸法を有するダイヤモンド部品から形成され、
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの検知表面から２０ｎｍ以内に位置し、
前記１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、１００μｓｅｃよりも長い、
検知プローブ。
蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥と、
前記ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造であって、前記光取り出し構造は、前記１つ以上のスピン欠陥によって放出された前記蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、光取り出し構造と
を備え、
前記光取り出し構造を含む前記検知プローブは、長さが１μｍよりも長い少なくとも１つの線形寸法を有するダイヤモンド部品から形成され、
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの検知表面から２０ｎｍ以内に位置し、
前記１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、１００μｓｅｃよりも長い、
検知プローブ。
【請求項2】
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの前記検知表面から１５ｎｍ、１２ｎｍ、または１０ｎｍ以内に位置している、請求項１に記載の検知プローブ。
【請求項3】
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ−（窒素−空孔）欠陥である、請求項１または２に記載の検知プローブ。
【請求項4】
前記１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、２００μｓｅｃ、３００μｓｅｃ、５００μｓｅｃ、または７００μｓｅｃよりも長い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検知プローブ。
【請求項5】
前記光学部品を含む前記検知プローブは、単結晶ダイヤモンド材料から形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の検知プローブ。
【請求項6】
前記光取り出し構造は、ナノピラー、ソリッドイマージョンレンズ、または内面反射を介することのうち１つによって形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の検知プローブ。
【請求項7】
前記光取り出し構造は、ナノピラーから形成されている、請求項６に記載の検知プローブ。
【請求項8】
前記ナノピラーは、１００ｎｍから３００ｎｍの間の直径と、０．５μｍから５μｍの間の長さとを有する、請求項７に記載の検知プローブ。
【請求項9】
前記検知プローブは、５０、３０、１０、５、３、２、または１つ以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置しており、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の検知プローブ。
【請求項10】
前記検知プローブは、５０以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置する層の形態であり、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の検知プローブ。
【請求項11】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検知プローブと、
前記１つ以上のスピン欠陥に向けられた励起光を生成するように構成された光励起源であって、前記励起光は、前記１つ以上のスピン欠陥に蛍光発光させる、光励起源と、
前記蛍光光を検出するように構成された光検出器であって、前記蛍光光は、前記１つ以上のスピン欠陥から放出され、前記光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、前記光取り出し構造の前記出力端を通って出る、光検出器と、
前記検知プローブを保持し、前記検知プローブの前記検知表面と試料表面との間の相対運動を可能にしながら、前記検知プローブの前記検知表面と前記試料表面との距離を制御するように構成された装着システムと
を備えており、
前記システムは、５０ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＡＣ磁場検出感度または４μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＤＣ磁場検出感度を有するように構成されている、システム。
前記１つ以上のスピン欠陥に向けられた励起光を生成するように構成された光励起源であって、前記励起光は、前記１つ以上のスピン欠陥に蛍光発光させる、光励起源と、
前記蛍光光を検出するように構成された光検出器であって、前記蛍光光は、前記１つ以上のスピン欠陥から放出され、前記光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、前記光取り出し構造の前記出力端を通って出る、光検出器と、
前記検知プローブを保持し、前記検知プローブの前記検知表面と試料表面との間の相対運動を可能にしながら、前記検知プローブの前記検知表面と前記試料表面との距離を制御するように構成された装着システムと
を備えており、
前記システムは、５０ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＡＣ磁場検出感度または４μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＤＣ磁場検出感度を有するように構成されている、システム。
【請求項12】
前記装着システムは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を備えている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記装着システムに結合され、前記１つ以上のスピン欠陥に光学的にアドレスしてそれを読み出すように構成された光学顕微鏡を備えている、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項14】
マイクロ波源をさらに備え、前記マイクロ波源は、前記スピン欠陥のうち少なくとも１つの共鳴周波数に合わされたマイクロ波を生成するように構成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ欠陥であり、前記システムは、前記ＮＶ欠陥のスピン状態のゼーマンシフトを測定することによって外部磁場を検出するように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記マイクロ波は、パルスのスピンデカップリングシ−ケンスを備え、前記シーケンスは、
ハーンスピンエコーパルスシーケンス、
ＣＰＭＧ（カーパーセルマイボームギル：Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌｌ Ｍｅｉｂｏｏｍ Ｇｉｌｌ）パルスシーケンス、
ＸＹパルスシーケンス、および
ＭＲＥＶＢパルスシーケンス
のうち少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のシステム。
ハーンスピンエコーパルスシーケンス、
ＣＰＭＧ（カーパーセルマイボームギル：Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌｌ Ｍｅｉｂｏｏｍ Ｇｉｌｌ）パルスシーケンス、
ＸＹパルスシーケンス、および
ＭＲＥＶＢパルスシーケンス
のうち少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記システムは、２５、１０、または５ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＡＣ磁場検出感度を有するように構成されている、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項18】
前記システムは、１または０．５μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＤＣ磁場検出感度を有するように構成されている、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項19】
前記システムは、試料中の単一スピン欠陥を解像するように構成されている、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項20】
２の信号対雑音比を有する単一スピン撮像のために必要とされる積分時間は、５分、３分、２分、１分、３０秒、１５秒、１０秒、５秒、２秒、１秒、または０．５秒未満である、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の引用）本願は、米国仮特許出願第６１／６９２，０７７号（２０１２年８月２２日出願、名称「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、「０７７仮出願」と呼ぶ）に基づき、同出願からの米国特許法§１１９（ｅ）による優先権の利益を主張する。「０７７仮出願」の内容は、完全に記載されたかのようにその全体が参照により引用される。
【0002】
（連邦政府による資金提供に関する記載）本発明は、ＮＩＳＴによって与えられた契約番号６０ＮＡＮＢ１０Ｄ００２、ＤＡＲＰＡによって与えられた契約番号ＨＲ００１１−０９−１−０００５、およびＤＡＲＰＡによって与えられた契約番号ＨＲ００１１−１０−１−００７３の下で政府の支援により行われた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
ダイヤモンド中のＮＶ（窒素−空孔：ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｖａｃａｎｃｙ）欠陥センターなどの、固体システム中のスピン欠陥は、多数の潜在的な用途を有する。これらの用途としては、限定するものではないが、ナノスケール電場および磁場検知、単一光子顕微鏡、量子情報処理、およびバイオ撮像がある。
【0004】
ＮＶ−センターベースのナノセンサは、単一の窒素−空孔センターを試料の数ナノメートル以内に配置するための能力に依拠し、次いで、ＮＶセンターのスピンコヒーレンスおよび読み出し忠実度（ｒｅａｄｏｕｔ ｆｉｄｅｌｉｔｙ）を維持しながら、その窒素−空孔センターを、試料表面を横切って走査する。
【0005】
しかしながら、既存の走査技法は、感度が低く、解像度も低く、データ取得時間が長いことを含む欠点を有している。これらの欠点は、結晶品質が低いことによりスピンコヒーレンス時間が短いこと、スピン欠陥と分析される試料表面との距離が長すぎること、スピン欠陥と分析される試料表面との距離にばらつきがあること、およびＮＶセンターからの蛍光の遠距離場収集が非効率であることのうち１つ以上を含むいくつかの要因によるものと思われる。
【0006】
たとえば、１つの公知の技法は、ＮＶスピン欠陥を含むダイヤモンドナノ粒子を利用する。ダイヤモンドナノ粒子は、ダイヤモンドナノ粒子内のＮＶ欠陥に光学的にアドレスするために光ファイバに付着させられ、マイクロ波発振器が、被分析試料近傍にダイヤモンドナノ粒子が置かれている場合にＮＶ欠陥のスピン状態を操作するために利用され、検出器は、ＮＶ欠陥から蛍光を検出するために試料の反対側に提供される。
【0007】
前述の構成は、いくつかの問題を有する。最初に、ダイヤモンドナノ粒子を使用することは、ＮＶ欠陥が被分析試料の近くに配置されることができることを確実にするが、ダイヤモンドナノ粒子はダイヤモンド品質が低い傾向があり、その中のＮＶ欠陥は、短いスピンコヒーレンス時間を有し、光学的に不安定であり得、低い感度につながる。第二に、蛍光光はあらゆる方向に放出され、ほんの一部のみが検出可能である。第三に、検出器は、ダイヤモンドナノ粒子に対して試料の反対側に配置され、したがって、この構成は、蛍光発光に対して透過な材料試料にのみ使用されることができる。光学検出器は、試料の、ダイヤモンドナノ粒子と同じ側に配置され得るが、ダイヤモンドナノ粒子が、ナノ粒子の、光ファイバと同じ側における蛍光の検出を阻害する光ファイバの端部に付着されるので、蛍光発光を効果的に捕捉するために検出器を設置することが困難である。
【0008】
前述の構成に代わるものは、より長いスピンコヒーレンス時間を有するＮＶ欠陥を含む高品質単結晶ダイヤモンド材料を使用することであろう。しかしながら、ミクロンスケールの単結晶ダイヤモンド材料の使用は、たとえば、スピン欠陥と分析される試料表面との距離が長すぎること、スピン欠陥と分析される試料表面との距離にばらつきがあること、およびＮＶセンターからの蛍光の遠距離場収集が非効率であることを含むいくつかの問題を有する。
【0009】
本発明の特定の実施形態の目的は、前述の問題のうち１つ以上を解決することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様によれば、蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥を備えているダイヤモンド材料から形成された検知プローブであって、１つ以上のスピン欠陥は検知プローブの検知表面の５０ｎｍ以内に位置し、検知プローブは、ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造をさらに備え、この光取り出し構造は、１つ以上のスピン欠陥によって放出される蛍光光を光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、検知プローブと、１つ以上のスピン欠陥に向けられた励起光を生成するように構成された光励起源であって、励起光は、１つ以上のスピン欠陥に蛍光発光させる、光励起源と、１つ以上のスピン欠陥から放出され、光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、光取り出し構造の出力端を通って出る蛍光光を検出するように構成された光検出器と、検知プローブの検知表面と試料の表面との間の相対運動を可能にしながら、検知プローブの検知表面と試料表面との距離を制御するように、検知プローブを保持するように構成された装着システムとを備えているシステムが提供される。
【0011】
本発明の第２の態様によれば、前述のシステムにおいて使用するための検知プローブが提供される。この検知プローブは、ダイヤモンド材料から形成され、蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥と、ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造であって、１つ以上のスピン欠陥によって放出された蛍光光を光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成された光取り出し構造とを備え、１つ以上のスピン欠陥は、検知プローブの検知表面から５０ｎｍ以内に位置している。
【0012】
本発明の特定のさらなる態様は、本明細書で説明し、請求する検知方法に関する。
【0013】
本発明の特定の実施形態は、従来技術による構成と比較すると、改善された感度と、より高い解像能と、より低いデータ取得時間とを有する。これらの有利な特徴は、スピン欠陥のスピンコヒーレンス性質を保持しながら１つ以上のスピン欠陥をダイヤモンド材料の検知表面の非常に近くに配置することによって、分析されるスピン欠陥と試料表面との間の短い制御された距離と、検知表面の近くにある１つ以上のスピン欠陥に結合された光取り出し構造を提供することによるスピン欠陥蛍光の効率的な遠距離場収集との組み合わせを提供することによって達成される。
【0014】
１つ以上のスピン欠陥は、検知プローブの検知表面から４０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１５ｎｍ、１２ｎｍ、または１０ｎｍ以内に位置し得る。通常、検知されるべき場は、試料表面からの距離を増加させることにより強度が減少するので、システムの感度は、１つ以上のスピン欠陥を検知表面の近くに位置することによって増加する。１つ以上のスピン欠陥を検知プローブの検知表面の近くに位置することによって、次いで、１つ以上のスピン欠陥は、試料表面の近くに配置し、したがって感度を増加させることができる。そのうえ、１つ以上のスピン欠陥を試料表面の近くに位置することを可能にすることによって、解像能も改善されることができる。
【0015】
感度のさらなる改善は、良質のダイヤモンド材料（好ましくは高品質の単結晶ダイヤモンド材料）の使用により比較的長いスピンコヒーレンス時間を有するスピン欠陥を提供することによって達成されることができる。スピン欠陥のスピンコヒーレンス性質は、表面の相互作用および／または表面−スピン欠陥距離を減少させるように表面を処理して戻すために必要とされる処理ステップによって有害な影響を受けるので、そのような長いスピンコヒーレンス欠陥を検知表面の近くに提供することは簡単ではない。本明細書において後でより詳細に説明するように、本発明者らは、スピン欠陥のスピンコヒーレンス性質を同時に保持しながら、その中で検知表面の近くに配置された１つ以上のスピン欠陥を有する光取り出し構造を製作するための処理技法を開発した。したがって、１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、１０μｓｅｃ、５０μｓｅｃ、１００μｓｅｃ、２００μｓｅｃ、３００μｓｅｃ、５００μｓｅｃ、または７００μｓｅｃよりも長くあり得る。
【0016】
高い解像能を有するシステムを提供するために、検知表面の近くにあり、光取り出し構造に結合された、比較的少ない、理想的には１つの、スピン欠陥を提供することが有利である。たとえば、検知プローブは、検知表面の近くにあり、（たとえば、スピン欠陥を光取り出し構造内でその検知表面の近くに位置することによって）光取り出し構造に光学的に結合されている、５０、３０、１０、５、３、２、または１つ以下のスピン欠陥を備え得る。解像能を改善するために１つの近くの表面のスピン欠陥（または比較的少ない）が提供される場合、感度を改善するために、前に説明したように、そのようなスピン欠陥が長いデコヒーレンス時間を有することが有利である。
【0017】
上記の代わりに、非常に高い解像能が特定の用途の要件ではない場合、多数のスピン欠陥が提供され得る。たとえば、検知プローブは、検知表面から５０ｎｍ以内に位置する層の形態であり、光取り出し構造に光学的に結合されている、複数の（たとえば、５０以下の）スピン欠陥を備え得る。この場合、各個々のスピン欠陥は、検知要素として作用する多数の個々のスピン欠陥により良好な感度を達成するためにそのような長いデコヒーレンス時間を有することを必要としない。したがって、感度は保持できるが、解像能の低下を犠牲にする。
【0018】
特定の実施形態では、光取り出し構造を含む検知プローブは、長さが１μｍよりも長い少なくとも１つの線形寸法を有するダイヤモンド部品から形成される。たとえば、光取り出し構造を含む検知プローブは、ミクロンスケール（または、ミリメートルスケールすら）の単結晶ダイヤモンド材料から形成され得る。そのような検知プローブは、ダイヤモンドナノ粒子に勝る３つの利点、すなわち、（ｉ）光取り出し構造は、より大きなダイヤモンド材料片からより容易に製作可能であること、（ｉｉ）検出器は、１つ以上のスピン欠陥ならびに光励起源および装着システムなどのシステムの他の部品に対してより容易に位置することができ、それによって、試料の、検知プローブと同じ側で効率よく検出を達成することができること、（ｉｉｉ）より大きなスケールを使用すると、高品質ダイヤモンド材料によって、コヒーレンス時間およびスペクトル安定性に関してより良質のスピン欠陥の製作が可能になることを有する。
【0019】
いくつかの可能な光取り出し構造は、ナノピラーまたはソリッドイマージョンレンズを含む検知プローブのダイヤモンド材料から製作され得る。光取り出しはまた、内面反射を介して、すなわち光検出器がある出力表面の方へ光を反射するためにダイヤモンド検知プローブの肉眼で見える形状を使用して、行うことができる。ナノピラーの遠位端には１つ以上のスピン欠陥があり、ナノピラーの近位端がミクロンスケールのダイヤモンド支持体に取り付けられる、取り出し構造としてのナノピラーの使用は、好ましい選択肢であることが考えられる。後でより詳細に説明するように、ナノピラーを、ナノピラーの遠位端の非常に近くに配置された良質スピン欠陥を有する高品質単結晶ダイヤモンド支持体にするための処理方法が開発された。ナノピラーは、その中にあるスピン欠陥からの蛍光発光を導くため、ならびに良好な解像能を達成するようにナノピラー内に存在するスピン欠陥の数を最適化するために適した寸法を有するように処理されることができる。たとえば、ナノピラーは、１００ｎｍから３００ｎｍの間の直径と、０．５μｍから５μｍの間の長さとを有し得る。そのうえ、ナノピラーは、主に結晶軸に沿って整列可能であり、この結晶軸は、＜１１１＞軸、＜１１０＞軸、および＜１００＞軸のうち１つを備えている。本明細書で説明する光取り出し構造を提供することによって、０．０１から０．１０の間の、放出された蛍光光の光収集効率を達成することが可能である。そのうえ、５０，０００カウント／ｓ、１００，０００カウント／ｓ、１５０，０００カウント／ｓ、２００，０００カウント／ｓ、２５０，０００カウント／ｓ、または３００，０００カウント／ｓよりも大きい蛍光光子計数率を達成することが可能である。
【0020】
装着システムは、有利には、試料の数ナノメートル以内に１つ以上のスピン欠陥を配置し、試料表面を走査するように構成される。たとえば、装着システムは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を備え得る。光学顕微鏡は、装着システムに結合され、１つ以上のスピン欠陥に光学的にアドレスしてそれを読み出すように構成されることが可能である。たとえば、光学顕微鏡は、ＡＦＭと統合された共焦点顕微鏡であり得る。
【0021】
システムは、１つ以上のスピン欠陥のスピン状態を操作するためにさらなる電磁放射源をさらに備え得る。たとえば、マイクロ波源は、１つ以上のスピン欠陥の共鳴周波数に合わされたマイクロ波を生成するように構成され得る。１つ以上のスピン欠陥がＮＶ欠陥であるとき、システムは、蛍光検出と組み合わせたスピン欠陥のマイクロ波操作を介してＮＶ欠陥のスピン状態のゼーマンシフトを測定することによって外部磁場を検出するように構成されることができる。スピンコヒーレンス、したがって感度をさらに改善するために、マイクロ波はパルスのスピンデカップリングシ−ケンスを備え、このシーケンスは、ハーンスピンエコーパルスシーケンス、ＣＰＭＧ（カーパーセルマイボームギル：Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌｌ ＭｅｉｂｏｏｍＧｉｌｌ）パルスシーケンス、ＸＹパルスシーケンス、およびＭＲＥＶＢパルスシーケンスのうち少なくとも１つを含む。
【0022】
前述の方法を利用すると、（たとえば、３３ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の周波数で）２００、１００、７５、６０、５０、２５、１０、または５ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＡＣ磁場検出感度と、５０、２０、１０、６、４、１、または０．５μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＤＣ磁場検出感度を有するようにシステムを構成することが可能である。そのうえ、試料中の単一スピン欠陥を解像するようにシステムを構成することが可能である。さらに、本明細書で説明する改善により、良質の信号対雑音比、たとえば１０分、５分、３分、２分、１分、３０秒、１５秒、１０秒、５秒、２秒、１秒、または０．５秒以下の積分時間による少なくとも２の信号対雑音比を同時に達成しながら、単一スピン撮像のために必要な積分時間を著しく減少させることが可能である。
【0023】
上記に示したように、高感度磁気測定を達成することが可能であるが、電場検知および温度検知も想定されている。たとえば、１つ以上のスピン欠陥がＮＶ欠陥である場合、システムは、ＮＶ欠陥においてｍｓ＝＋１状態とｍｓ＝−１状態とを混合する外部電場によって引き起こされるシュタルクシフトを測定することによって、外部電場を検出するように構成されることができる。代替または追加として、システムは、ＮＶセンターの軸方向ゼロ磁場分裂（ＺＦＳ）パラメータの変動を測定することによって、ＮＶ欠陥を使用して温度を検出するように構成可能である。温度検出は、磁場検知に対する温度の効果を較正するためにも使用可能である。たとえば、システムは、磁場の検出における１つ以上の温度依存効果が較正されることを可能にするように、検知プローブのダイヤモンド材料の温度を監視するように構成されることが可能である。あるいは、１つ以上の温度依存効果を較正するためのフィードバック機構を提供するように、ｍｓ＝＋１共鳴とｍｓ＝−１共鳴の両方を測定することができる。したがって、システムは、ｍｓ＝±１共鳴遷移を使用することによって、温度によって影響を受けない磁場測定を提供するように構成されることができる。
【0024】
本発明の実施形態は、本明細書で説明するシステムなどのシステムを使用する方法も提供する。そのような方法は、検知プローブの光取り出し構造を試料の表面に対して移動可能に配置することであって、光取り出し構造は、１つ以上のスピン欠陥を含み、このスピン欠陥によって放出される蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、ことと、スピン欠陥に蛍光光を放出させるように、スピン欠陥に励起光およびマイクロ波を照射することと、蛍光光が光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、光取り出し構造の出力端を通って出る放出された蛍光光を検出することとを含む。そのような方法は、試料表面についての情報を取得するように、スピン欠陥と試料表面との間に所望の距離を保ちながら、試料表面を走査することをさらに含み得る。移動可能な光取り出し構造を、制御された形で試料の近くに位置することが可能な１つ以上のスピン欠陥と組み合わせて提供することによって、高い感度、高い解像能、および短いデータ取得時間を備えた検知が可能になる。
【0025】
上記に加えて、検知プローブの光取り出し構造を試料に対して移動可能に配置することであって、光取り出し構造は、光源からの励起光およびマイクロ波源からのマイクロ波に応答して蛍光光を放出するように構成されたスピン欠陥を含み、光取り出し構造は、スピン欠陥によって放出された蛍光光を光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、ことと、スピン欠陥と試料との間の距離を測定することと、スピン欠陥と試料との間の距離を減少させるように光取り出し構造の遠位端をエッチングすることと、距離が所望の量減少するまで、距離を測定する行為と光取り出し構造の遠位端をエッチングする行為とを繰り返すこととを含む方法を利用することによって、１つ以上のスピン欠陥を検知表面の近くに確実かつ正確に配置できることが知られた。
【0026】
さらに、使用中の検知プローブの汚染が性能の低下につながることがあることが知られている。したがって、高性能を保持するために検知プローブを清掃するための方法が開発された。そのような方法は、蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥を備えているダイヤモンド材料から形成された検知プローブを提供することであって、この検知プローブは、スピン欠陥によって放出された蛍光光をナノピラーの出力端の方へ光学的に誘導するように構成されたダイヤモンドナノピラーをさらに備えている、ことと、ダイヤモンドナノピラーを試料先端に対して移動させることによって、ナノピラーにより試料の鋭利な先端をＡＦＭフィードバックなしで走査することと、ナノピラーの汚染が所望の量減少されるまで、ナノピラーにより試料の鋭利な先端をＡＦＭフィードバックなしで走査する行為を繰り返すこととを含む。本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥を備えているダイヤモンド材料から形成された検知プローブであって、前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの検知表面から５０ｎｍ以内に位置しており、前記検知プローブは、前記ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造をさらに備え、前記光取り出し構造は、前記１つ以上のスピン欠陥によって放出される前記蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、検知プローブと、
前記１つ以上のスピン欠陥に向けられた励起光を生成するように構成された光励起源であって、前記励起光は、前記１つ以上のスピン欠陥に蛍光発光させる、光励起源と、
前記蛍光光を検出するように構成された光検出器であって、前記蛍光光は、前記１つ以上のスピン欠陥から放出され、前記光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、前記光取り出し構造の前記出力端を通って出る、光検出器と、
前記検知プローブを保持し、前記検知プローブの前記検知表面と試料表面との間の相対運動を可能にしながら、前記検知プローブの前記検知表面と前記試料表面との距離を制御するように構成された装着システムと
を備えている、システム。
（項目２）
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの前記検知表面から４０ｎｍ（ナノメートル）、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１５ｎｍ、１２ｎｍ、または１０ｎｍ以内に位置している、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ−（窒素−空孔）欠陥である、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、１０μｓｅｃ、５０μｓｅｃ、１００μｓｅｃ、２００μｓｅｃ、３００μｓｅｃ、５００μｓｅｃ、または７００μｓｅｃよりも長い、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記光取り出し構造を含む前記検知プローブは、長さが１μｍよりも長い少なくとも１つの線形寸法を有するダイヤモンド部品から形成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記光取り出し構造を含む前記検知プローブは、単結晶ダイヤモンド材料から形成されている、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記光取り出し構造は、ナノピラー、ソリッドイマージョンレンズ、または内面反射を介することのうち１つによって形成されている、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記光取り出し構造は、ナノピラーから形成されている、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記ナノピラーは、１００ｎｍから３００ｎｍの間の直径と、０．５μｍから５μｍの間の長さとを有する、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記ナノピラーは、主に結晶軸に沿って位置合わせされ、前記結晶軸は、＜１１１＞軸、＜１１０＞軸、および＜１００＞軸のうち１つを備えている、項目８に記載のシステム。
（項目１１）
前記装着システムは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記装着システムに結合され、前記１つ以上のスピン欠陥に光学的にアドレスしてそれを読み出すように構成された光学顕微鏡を備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
前記光学顕微鏡は、ＡＦＭと統合された共焦点顕微鏡である、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
マイクロ波源をさらに備え、前記マイクロ波源は、前記スピン欠陥のうち少なくとも１つの共鳴周波数に合わされたマイクロ波を生成するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１５）
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ欠陥であり、前記システムは、前記ＮＶ欠陥のスピン状態のゼーマンシフトを測定することによって外部磁場を検出するように構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記マイクロ波は、パルスのスピンデカップリングシ−ケンスを備え、前記シーケンスは、
ハーンスピンエコーパルスシーケンス、
ＣＰＭＧ（カーパーセルマイボームギル：Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌｌ ＭｅｉｂｏｏｍＧｉｌｌ）パルスシーケンス、
ＸＹパルスシーケンス、および
ＭＲＥＶＢパルスシーケンス
のうち少なくとも１つを含む、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
前記システムは、２００、１００、７５、６０、５０、２５、１０、または５ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＡＣ磁場検出感度を有するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１８）
前記検出感度は、３３ｋＨｚから１０ＭＨｚの間の周波数にある、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記システムは、５０、２０、１０、６、４、１、または０．５μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れたＤＣ磁場検出感度を有するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目２０）
前記システムは、試料中の単一スピン欠陥を解像するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目２１）
２の信号対雑音比を有する単一スピン撮像のために必要とされる積分時間は、１０分以下である、項目２０に記載のシステム。
（項目２２）
２の信号対雑音比を有する単一スピン撮像のために必要とされる積分時間は、５分、３分、２分、１分、３０秒、１５秒、１０秒、５秒、２秒、１秒、または０．５秒未満である、項目２０に記載のシステム。
（項目２３）
前記放出された蛍光光の光収集効率は、０．０１から０．１０の間である、項目１に記載のシステム。
（項目２４）
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ欠陥であり、前記システムは、前記ＮＶ欠陥においてｍｓ＝＋１状態とｍｓ＝−１状態とを混合する外部電場によって引き起こされるシュタルクシフトを測定することによって、前記外部電場を検出するように構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目２５）
前記システムは、前記ＮＶセンターの軸方向ゼロ磁場分裂（ＺＦＳ）パラメータの変動を測定することによって、前記ＮＶ欠陥を使用して温度を検出するように構成されている、項目１５に記載のシステム。
（項目２６）
前記システムは、前記磁場の前記検出における１つ以上の温度依存効果が較正されることを可能にするように、前記ダイヤモンド材料の温度を監視するように構成されている、項目２５に記載のシステム。
（項目２７）
前記システムは、前記１つ以上の温度依存効果を較正するためのフィードバック機構を提供するように、ｍｓ＝＋１共鳴およびｍｓ＝−１共鳴の両方を測定するように構成されている、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
前記システムは、前記ｍｓ＝±１共鳴遷移を使用することによって、温度によって影響を受けない磁場測定を提供するように構成されている、項目２６に記載のシステム。
（項目２９）
前記システムは、５０，０００カウント／ｓ、１００，０００カウント／ｓ、１５０，０００カウント／ｓ、２００，０００カウント／ｓ、２５０，０００カウント／ｓ、または３００，０００カウント／ｓよりも大きい蛍光光子計数率を有するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目３０）
前記検知プローブは、５０、３０、１０、５、３、２、または１つ以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置しており、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、項目１に記載のシステム。
（項目３１）
前記検知プローブは、５０以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置する層の形態であり、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、項目１に記載のシステム。
（項目３２）
ダイヤモンド材料から形成された検知プローブであって、前記検知プローブは、
蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥と、
前記ダイヤモンド材料によって形成された光取り出し構造であって、前記光取り出し構造は、前記１つ以上のスピン欠陥によって放出された前記蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、光取り出し構造と
を備え、
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの検知表面から５０ｎｍ以内に位置している、検知プローブ。
（項目３３）
前記１つ以上のスピン欠陥は、前記検知プローブの前記検知表面から４０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１５ｎｍ、１２ｎｍ、または１０ｎｍ以内に位置している、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３４）
前記１つ以上のスピン欠陥は、ＮＶ−（窒素−空孔）欠陥である、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３５）
前記１つ以上のスピン欠陥のデコヒーレンス時間は、１０μｓｅｃ、５０μｓｅｃ、１００μｓｅｃ、２００μｓｅｃ、３００μｓｅｃ、５００μｓｅｃ、または７００μｓｅｃよりも長い、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３６）
前記光取り出し構造を含む前記検知プローブは、長さが１μｍよりも長い少なくとも１つの線形寸法を有するダイヤモンド部品から形成されている、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３７）
前記光学部品を含む前記検知プローブは、単結晶ダイヤモンド材料から形成されている、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３８）
前記光取り出し構造は、ナノピラー、ソリッドイマージョンレンズ、または内面反射を介することのうち１つによって形成されている、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目３９）
前記光取り出し構造は、ナノピラーから形成されている、項目３８に記載の検知プローブ。
（項目４０）
前記ナノピラーは、１００ｎｍから３００ｎｍの間の直径と、０．５μｍから５μｍの間の長さとを有する、項目３９に記載の検知プローブ。
（項目４１）
前記検知プローブは、５０、３０、１０、５、３、２、または１つ以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置しており、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目４２）
前記検知プローブは、５０以下のスピン欠陥を備え、前記スピン欠陥は、前記検知表面から５０ｎｍ以内に位置する層の形態であり、前記光取り出し構造に光学的に結合されている、項目３２に記載の検知プローブ。
（項目４３）
検知プローブの光取り出し構造を試料の表面に対して移動可能に配置することであって、
前記光取り出し構造は、１つ以上のスピン欠陥を含み、前記スピン欠陥によって放出される蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、ことと、
前記スピン欠陥に蛍光光を放出させるように、前記スピン欠陥に励起光およびマイクロ波を照射することと、
前記蛍光光が前記光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、前記光取り出し構造の前記出力端を通って出る前記放出された蛍光光を検出することと
を含む、方法。
（項目４４）
前記試料表面についての情報を取得するように、前記スピン欠陥と前記試料表面との間に所望の距離を保ちながら、前記試料表面を走査することをさらに含む、項目４３に記載の方法。
（項目４５）
検知プローブの光取り出し構造を試料に対して移動可能に配置することであって、
前記光取り出し構造は、蛍光光を放出するように構成されたスピン欠陥を含み、前記光取り出し構造は、前記スピン欠陥によって放出された前記蛍光光を前記光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成されている、ことと、
前記スピン欠陥と前記試料との間の距離を測定すること、
前記スピン欠陥と前記試料との間の前記距離を減少させるように前記光取り出し構造の遠位端をエッチングすることと、
前記距離が所望の量減少するまで、前記距離を測定する行為と前記光取り出し構造の前記遠位端をエッチングする行為とを繰り返すことと
を含む、方法。
（項目４６）
蛍光光を放出するように構成された１つ以上のスピン欠陥を備えているダイヤモンド材料から形成された検知プローブを提供することであって、前記検知プローブは、前記スピン欠陥によって放出された前記蛍光光をナノピラーの出力端の方へ光学的に誘導するように構成されたダイヤモンドナノピラーをさらに備えている、ことと、
前記ダイヤモンドナノピラーを試料先端に対して移動させることによって、前記ナノピラーを用いて前記試料の鋭利な先端をＡＦＭフィードバックなしで走査することと、
前記ナノピラーの汚染が所望の量減少されるまで、前記ナノピラーにより前記試料の鋭利な先端をＡＦＭフィードバックなしで走査する前記行為を繰り返すことと
を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図面は、例示的な実施形態を開示する。図面は、すべての実施形態を説明するとは限らない。他の実施形態は、追加として、または代わりに、使用され得る。【図3A】図３Ａは、ナノピラーを有するダイヤモンドプラットフォームの配列内にある、その先端の約２５ｎｍ以内に単一ＮＶセンターを含む単結晶ダイヤモンド走査プローブの代表的なＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。
【図5-3】図５Ｅは、簡略化した磁気試料という仮定の下で図５Ａの実験状況に対してモデルにより計算されたＮＶ反応を示す。図５Ｆは、観測された最小ドメインが２５ｎｍの平均サイズを有する実験の実現による、図５Ａおよび図５Ｂに示す磁気画像である。
【図7】図７Ａは、ＮＶ走査センサにより撮像された磁気ビットをシミュレートするために使用される電流分布を示す。図７Ｂは、ＮＶ軸に投影され、図７Ａの電流分布によって生成された磁場を示す。図７Ｃは、図７Ｂに示される磁場分布から得られるＮＶ磁気測定反応を示す。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本出願では、例示的な実施形態について説明する。他の実施形態は、追加として、または代わりに、使用され得る。
【0029】
本出願は、説明する特定の実施形態に限定されず、したがって変化し得ることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本出願の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるので、限定することを意図するものではない。
【0030】
別段に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解されている意味と同じ意味を有する。本明細書で説明する方法および材料に類似または同等の任意の方法および材料も、本出願で説明する概念の実施または試験において使用されることができるが、本明細書では、限られた数の例示的な方法および材料が説明されている。
【0031】
ある範囲の値が与えられる場合、その範囲の上限と下限との間の、文脈が別段に明確に規定しない限り下限の単位の１０分の１に至る、各中間値、および記述された範囲内の他の任意の記述された値または中間値も本発明に包含される。これらのより小さい範囲の上限および下限は、このより小さい範囲に独立して含まれ得、この記述された範囲内に特に除外する限定がない限り、これもまた本発明の範囲内に含まれる。記述された範囲が上限および下限の一方または両方を含む場合、これらの含まれた上限および下限の一方または両方を除外する範囲も本発明に含まれる。
【0032】
本開示では、スピン欠陥、たとえばＮＶセンターに基づくナノスケール走査センサに関する方法およびシステムが説明される。いくつかの実施形態では、ナノスケール走査プローブは、組み合わされたＡＦＭおよび光学顕微鏡と共に上部からの収集を実施する。
【0033】
以下でさらに詳細に説明するように、ＮＶ−センターは光学撮像のための明るく安定した単光子源を形成し、優れた温度、磁場、および電場の検知機能を提供するスピン三重項基底状態を有するので、ＮＶ−センターなどのスピン欠陥に基づくナノスケール検知が可能である。本文書の残りの部分では、ＮＶ欠陥の負電荷状態は単にＮＶと示されることに留意されたい。そのようなスピンに基づく検知スキームにおけるＮＶセンターの優れた性能に寄与する要因としては、限定するものではないが、長いＮＶスピンコヒーレンス時間ならびに効率的な光学的スピンの準備および読み出しがある。これらの性質は極低温から周囲条件まで存続し、単一分子または量子ドットなどの量子センサとして提案されている他のシステムからＮＶセンターを区別する特徴である。
【0034】
図１Ａは、格子空孔１１０に隣接する置換窒素原子１２０からなるＮＶセンターを示す図である。図１Ａに示されているように、ＮＶセンターは、ダイヤモンド格子中の欠損している炭素原子１３０から生じた、空の位置すなわち空孔１１０である。ＮＶセンターは、他のスピンからの磁気干渉から比較的隔離される。ＮＶセンターのスピンの量子状態が調べられ、室温で制御され得る。ダイヤモンド中のＮＶセンターならびに固体格子（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌａｔｔｉｃｅ）中の他のタイプの欠陥を含むシステムは、背景格子とのごくわずかな相互作用を有する電子スピンを提供することができる。そのような電子スピンは、固有の光学的痕跡により光学的に検出可能である。ＮＶセンターは、レーザによって照らされると、赤い点として見える。
【0035】
図１Ｂは、ダイヤモンド中のＮＶセンターの電子構造を示す。図１Ｂに示されているように、ＮＶセンターの基底状態は常磁性であり、スピン１（Ｓ＝１）三重項である。ＮＶセンターの基底状態は、ｍｓ＝０と、二重縮退したｍｓ＝±１副準位とに分割され、Δ＝２．８７ＧＨｚの結晶場分離を有する。ＮＶセンターは、電子基底状態と励起状態と間のその遷移から蛍光放射線を放出する。電子遷移はスピン保存であり、ｍｓ＝０遷移は、ｍｓ＝±１遷移よりも明るい。共鳴周波数におけるマイクロ波励起は蛍光低下を引き起こし、蛍光測定によって共鳴周波数が測定されることを可能にする。
【0036】
静的外部場は、磁気回転比γ＝２．８ＭＨｚ／Ｇによって決定される、ｍｓ＝＋１状態とｍｓ＝−１状態との間のゼーマンシフトを引き起こす。したがって、ｍｓ＝±１状態の縮退は外部場の下で解除され、電子常磁性共鳴スペクトルは、２つの共鳴線、すなわちより高い周波数にシフトされた一方の共鳴線と、より低い周波数にシフトされた他方の共鳴線を含む。２つのシフトされた共鳴周波数およびそれらの差δωを測定することによって、外部場の大きさを計算することができる。
【0037】
ＮＶ欠陥を使用して磁場を検出することが可能であるだけでなく、それは、温度（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｘ ２、０３１００１（２０１２年））および電場（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ７巻、４５９〜４６３頁（２０１１年））を測定するために使用可能であることも示されている。これは、本発明の特定の実施形態と組み合わされると、広範囲の使用法を有する可能性がある。たとえば、生物標本における電場、磁場、および温度の検出である。
【0038】
当技術分野では、軸方向ゼロ磁場分裂（ＺＦＳ：ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）パラメータすなわちＤ（２．８７ＧＨｚ）が、（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ８２、２０１２０２（Ｒ）（２０１０年））に記載されている室温ダイヤモンド磁気測定法に関する技術的課題を提供する温度により著しく変化することが知られている。この性質は、温度すなわち本発明ではナノスケール温度センサを推測するために使用可能である。正確なＢ場検知のために、この温度効果を回避することが望ましいことがある。そのような方法は、１）温度の効果を較正することを可能にする、ダイヤモンドの温度を監視するための温度センサ、２）これを制御することを目的とするフィードバック機構を提供するためのｍｓ＝±１共鳴の両方の測定、および３）温度によって影響を受けない、（ｍｓ＝０とｍｓ＝±１との間の遷移に対比して）磁場測定を提供するためのｍｓ＝±１共鳴遷移の使用を含み得る。
【0039】
本発明の特定の実施形態と組み合わされた、測定中の温度分散の効果を打ち消すためのこれらの方法は、検知デバイスの改善を可能にする。
【0040】
ＮＶセンターにおける電場は、ｍｓ＝＋１状態とｍｓ＝−１状態とを混合し、そのＺＦＳにおけるシフトを引き起こす。（ＮＶセンターの歪みと比較して）小さな磁場の存在下で、このシフトは、高い感度で測定可能である（線形の）シュタルクシフトを含む。この特定の実施形態では、５０〜２００Ｖｃｍ−１Ｈｚ−１／２にわたるＡＣ電場感度が達成可能である。この範囲の感度（たとえば１２０Ｖｃｍ−１Ｈｚ−１／２）では、積分時間の１秒以内では、１０ｎｍの距離における０．０１電子電荷に等しい場が検出可能である（１の信号対雑音）。
【0041】
ＮＶセンターにおける温度の変動は、格子定数の変を誘発し、この変化が、ＮＶセンターにおける局所結晶場を修正し、ＺＦＳをシフトさせる。したがって、ＺＦＳを測定することによって、ＮＶセンターはさらに、感度のよい温度計として動作することができる。この指定された実施形態では、温度は、０．２〜０．８ＫＨｚ−１／２にわたる感度で測定可能である。
【0042】
ＮＶセンターの上記で説明した光学的性質および磁気的性質により、ＮＶセンターは、センサプローブとして使用されることができる。ＮＶセンターが有用なプローブであるために、ＮＶセンターは、ナノメートルの精度で配置される一方、同時にその蛍光が測定されなければならない。これは、光学顕微鏡法と組み合わされたＡＦＭ方法と共にセンサプローブとしてＮＶセンターを使用することによって達成されることができる。
【0043】
ある程度の成功は、走査ＡＦＭプローブ先端上に移植されたダイヤモンドナノ結晶を使用する走査型ＮＶセンサを実施することで達成されているが、これらの手法は、ナノ結晶ベースのＮＶセンターの低い検知性能を有し、ナノ結晶ベースのＮＶセンターに対するスピンコヒーレンス時間は、通常、バルクダイヤモンドにおけるＮＶセンターよりも桁違いに短い。
【0044】
本出願では、ＡＦＭの走査プローブとしてダイヤモンドナノピラーを使用するＮＶセンサが開示され、個々のＮＶは、その遠位端の数ナノメートル以内にある。
【0045】
ＮＶは、照射およびアニーリングによって成長させられ、形成される移植の１またいくつかの組み合わせによって配置され得る。
【0046】
図２は、本出願の１つ以上の実施形態による、上部からの収集を可能にするナノスケール走査型ＮＶセンサシステム２００の概略ブロック図である。システム２００は、ダイヤモンドナノピラー２１０を走査プローブとして使用するモノリシック走査型ＮＶセンサを含み、個々のＮＶセンター２０８は、ダイヤモンドナノピラーの遠位端から短距離たとえば約２５ｎｍのところに人工的に作製される。
【0047】
システム２００は、組み合わされたＡＦＭ２０２および光学顕微鏡、すなわち光学顕微鏡と一緒に使用されるＡＦＭ２０２を含む。いくつかの実施形態では、ＡＦＭ２０２および光学顕微鏡は単一の機器に統合され得る。図示の実施形態では、光学顕微鏡は、共焦点顕微鏡対物レンズ２２２を含む共焦点顕微鏡である。
【0048】
ＡＦＭ２０２は、ＡＦＭ２０２のダイヤモンドカンチレバー２０３に取り付けられたダイヤモンドナノピラー２１０を含む。図２に示されるように、ダイヤモンドカンチレバー２０３は位置決めシステム２０７に取り付けられ得、位置決めシステム２０７は、たとえば、その上に試料２０９を配置することができる可動台を含み得る。したがって、ダイヤモンドナノピラー２１０は試料２０９の表面に対して移動可能に配置され、したがって、試料表面は、ＡＦＭフィードバックを使用してダイヤモンドナノピラー２１０によって走査されることができる。いくつかの実施形態では、位置決めシステム２０７は、光学顕微鏡の固定された光軸に対して試料およびＡＦＭヘッドを配置するように構成された３軸圧電位置決め器を含み得る。
【0049】
いくつかの実施形態では、マイクロメートル厚さの単結晶ダイヤモンド板２１５が、ダイヤモンドナノピラー２１０を生成するために製作される。以下で図４Ａに関してさらに詳細に説明されるように、ダイヤモンドナノピラー２１０は単一のＮＶセンター２０８を含むように製作されることができ、ＮＶセンター２０８は、標的試料２０９の数十ナノメートル以内に持ってこられることができる。
【0050】
ダイヤモンドナノピラー２１０は細長い構成を有し、試料表面の真向かいに配置可能な遠位端２１４と、ＡＦＭカンチレバー２０３に結合されるべき近位端２１６とを含む。したがって、ダイヤモンドナノピラー２１０は、ＮＶセンター２０８によって放出される蛍光を、通常、遠位端２１４から近位端２１６の方へ延びる方向に光学的に誘導するように構成される。
【0051】
図示の実施形態では、ダイヤモンドナノピラー２１０のサイズは直径が約２００ｎｍであり、これは、ダイヤモンドナノピラーによる上記で説明した光学的導波路を最適化する。他の実施形態は、ダイヤモンドナノピラー２１０に異なるサイズ（たとえば直径が２００ｎｍ未満のナノピラー）を使用し得る。図示の実施形態では、ダイヤモンドカンチレバー２０３のサイズは、横方向寸法が約４μｍ×３０μｍ、高さが約２μｍであり得る。他の実施形態は、ダイヤモンドカンチレバーに異なるサイズ（たとえばより大きいまたはより小さい横方向寸法および／または高さを有するダイヤモンドカンチレバー）を使用し得る。
【0052】
システム２００は、カラーセンターに適用されるとカラーセンターからの蛍光光の放出を引き起こす励起光を生成するように構成された光源２２０をさらに含む。図示の実施形態では、光源２２０は５３２ｎｍ励起レーザである。他の実施形態では、異なるタイプの光源を使用することができる。たとえば、光源は、６３７ｎｍ未満の波長に調整可能なレーザまたはＬＥＤであり得る。
【0053】
マイクロ波源２３０は、マイクロ波放射線のパルスを生成するように、およびマイクロ波パルスをＮＶセンター２０８に適用するように構成される。いくつかの実施形態では、マイクロ波源２３０は、レーザ２２０からのレーザ光によるＮＶセンターの励起中に、およびダイヤモンドナノピラー２１０による試料表面の走査中に、ＮＶセンター２０８の共鳴周波数に合わされたマイクロ波パルスをＮＶセンターに適用するように構成される。
【0054】
マイクロ波源は、検知されるべき外部磁場の周りでのＮＶセンターの電子スピンの歳差運動を可能にするマイクロ波パルスをＮＶセンターに適用するように構成され得、歳差運動の周波数は、電子スピンのエネルギーレベルのゼーマンシフトによって磁場に線形に関連付けられ、したがって、外部磁場の強度は、測定されたゼーマンシフトから決定されることができる。
【0055】
マイクロ波源は、ＮＶセンターの電子スピンのエネルギーレベルの測定されたシフトから外部電場の強度が決定されることができるように、マイクロ波パルスをＮＶセンターに適用するように構成され得る。
【0056】
本出願のいくつかの実施形態では、上部からの収集が実施される。これらの実施形態では、ＮＶセンター２０８からの蛍光光度が、カンチレバー２０３の上部から、したがってナノピラー２１０全体を通って、読み出される。言い換えれば、ＮＶセンター２０８によって放出される蛍光は、ＮＶセンター２０８からの蛍光光がダイヤモンドナノピラー２１０の長さ全体を通して光学的に誘導され、ダイヤモンドナノピラー２１０の近位端２１６を通って出た後で、光検出器２４０によって検出される。
【0057】
上部読み出しは、ＮＶセンサシステム１００の著しく改善された性能を可能にする。たとえば、上部読み出しは、ＮＶセンター２０８からの蛍光放射線に対して不透過な試料の試験を可能にする。下部からの読み出しが、従来の方法で行われたように使用された場合、蛍光は試料自体を通して収集される。これは、試験可能な試料のタイプを厳しく制限する。
【0058】
さらに、上部読み出しは、ダイヤモンドナノピラー２１０からの光学的導波路を利用して、光子収集効率を高める。いくつかの実施形態では、収集効率は約５倍改善され得る。そのような収集効率の増加は感度の増加をもたらす。これは、多数の用途における重要な利点である。
【0059】
上記で説明したようなダイヤモンドナノピラーを使用して上記で説明した上部収集を実施することによって、励起光、通常は５３２ｎｍの緑色レーザは、試料からより良く隔離される。これは、強いレーザ場に否定的な反応を示す撮像試料、たとえば生体試料にとって重要なことがある。必要とされる電力は、ダイヤモンドナノピラー２１０による上記で説明した光学的導波路により、ＮＶ蛍光を飽和させるために最小限に抑えられる。いくつかの実施形態では、飽和出力が約１０倍減少する。さらに、レーザからの励起光がナノピラーの導波モードに集束されるので、試料の遠距離場励起は最小限に抑えられることができる。
【0060】
これらの実施形態では、システム２００は、上記で説明したようにダイヤモンドナノピラーの長さを通って光学的に誘導された後、ダイヤモンドナノピラー２１０の近位端２１６を通って出る放出された蛍光光を受け取るように配置された少なくとも１つの光検出器２４０を含む。ダイヤモンドナノピラーがＮＶ蛍光バンドのための効率的な導波管であるので、非常に高いＮＶ信号収集効率が、上記で説明した上部収集方法を使用して達成されることができる。
【0061】
これらの実施形態では、図２に示されているように、顕微鏡対物レンズ２２２が光検出器２４０とカンチレバー２０３の上部との間に配置される。対物レンズ２２２は、作動距離の長い顕微鏡対物レンズ２２２であり得る。いくつかの実施形態では、対物レンズ２２２は、約０．７の開口数を有することができる。他の実施形態では、０．７よりも大きいまたは小さい開口数を有する顕微鏡対物レンズを使用することができる。
【0062】
システム２００は、ＮＶセンター２０８によって放出される蛍光をレーザ２２０によって生成される励起光から分離する１つ以上のダイクロイックミラーも含み得る。
【0063】
ＡＦＭ２０２は、ＮＶセンターと試料表面との距離を制御するように構成されたＡＦＭフィードバックシステムを含み得る。ＮＶセンサの空間解像能は、ＮＶセンターから試料までの距離による影響を受ける。限定するものではないが機械的制御およびフィードバック制御を含む適切なＡＦＭ制御は、ＮＶセンターが試料表面に近接していることを保証するために達成されなければならない。不良な装着および／または不適切なＡＦＭフィードバック制御は、過大なＡＦＭ先端−試料距離につながり得る。いくつかの実施形態では、たとえばＡｔｔｏｃｕｂｅ ＡＳＣ５００コントローラによって提供されるＡＦＭフィードバックシステムは、ＡＦＭフィードバックの適切なセットアップおよび調整に使用され得、これと共に、ＡＦＭ先端の正確な装着によって、所望の変数の正確な観測が可能になる。
【0064】
処理システムが上記で説明したシステムと統合され得、本出願で説明する方法、システム、およびアルゴリズムを実施するように構成される。この処理システムは、任意のタイプのマイクロプロセッサ、ナノプロセッサ、マイクロチップ、またはナノチップを含み得るか、これからなり得る。処理システムは、その中に保存されたコンピュータプログラムによって選択的に構成および／または起動され得る。処理システムは、上記で説明した方法およびシステムを実施するために、そのようなコンピュータプログラムが保存され得る、コンピュータが使用可能な媒体を含み得る。このコンピュータが使用可能な媒体は、その中に、処理システムのための、コンピュータが使用可能な命令を保存していることもある。本出願における方法およびシステムは、任意の特定のプログラミング言語に関して説明されていない。したがって、本出願の教示を実施するためにさまざまなプラットフォームおよびプログラミング言語が使用され得ることが理解されるであろう。
【0065】
図３Ａは、その先端の約２５ｎｍ以内に単一ＮＶセンターを含む単結晶ダイヤモンド走査プローブの代表的な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。そのようなデバイスを準備するために、（たとえば、低エネルギーイオン注入によって）ＮＶ作製を形成すること、いくつかの連続的に整列された電子ビームリソグラフィステップ、および反応性イオンエッチングを含む一連の製作ステップが順次実行される。
【0066】
このシーケンスに対する重要な要素は、図３Ａに示される走査プローブデバイスの基礎を形成するマイクロメートル厚さの単結晶ダイヤモンド板の製作である。
【0067】
走査ダイヤモンドナノピラーは、約２００ｎｍの一般的な直径と約１μｍの長さを有し、走査のために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）先端に個々に取り付けられた数マイクロメートルサイズのダイヤモンドプラットフォーム上に製作される。
【0068】
図３Ｂは単結晶ダイヤモンドプローブからの赤色蛍光の共焦点画像を示し、図３ＣはＮＶ蛍光に対する光子自己相関測定を示す。図３Ｂでは、一般的な単一走査ＮＶデバイスの共焦点走査が、緑色レーザ照明の下、５３２ｎｍの励起波長で実行された。ナノピラー（白色の円）から出現する明るい光子放出は、図３Ｂに示される光子−自己相関測定における顕著なディップ、および図３Ｃに見られる光学的に検出されたＮＶ電子スピン共鳴（ＥＳＲ）の特徴的痕跡によって示される単一のＮＶセンターから生じる。すべてが同じデバイスから得られたこれらの結果は、製作されたナノピラーデバイスの先端に対してＮＶが近接しているにもかかわらず、ナノピラーを通る光子導波路が存続していることを確認する。
【0069】
図３Ｄは、ナノピラー内の単一放出体をＮＶセンターとして識別する光学的に検出されたＥＳＲを示す。図３Ｄのデータは１００μＷの励起力で取得され、毎秒２．２×１０５カウント（ｃ．ｐ．ｓ．）に近づく単一ＮＶのカウントを示す（すなわちパターン化されていないダイヤモンド試料における同様の条件の下で観測されるＮＶと比較して検出される蛍光強度でほぼ５倍の増加）。したがって、走査ＮＶからの蛍光信号強度の著しい増加があり、同時に緑色の励起光に対する試料の最小限の曝露がある。これは、走査センサの可能な生物学的用途または低温用途に特に関連し得る。
【0070】
図３Ｅは、ダイヤモンドナノピラーデバイス内のＮＶセンターに対するスピンエコー測定を示す。ＮＶセンターのスピンコヒーレンス時間Ｔ２は、コヒーレントなＮＶ−スピン操作のための十分に確立された技法を使用して特徴付けられ得る。スピンコヒーレンスは、磁場に対するＮＶ感度を設定し、ＮＶスピンに対して実行されることができるコヒーレント動作の数を制限する。したがって、スピンコヒーレンスは、磁場撮像および量子情報処理における用途に関する性能指数である。
【0071】
ハーンエコーパルスシーケンスを使用して、図３Ｅに示される特徴的な単一ＮＶコヒーレンス減衰が測定された。減衰エンベロープから、Ｔ２のスピンコヒーレンス時間＝７４．８μｓが推測された。このＴ２時間は注入された窒素イオンの密度（３×１０１１ ｃｍ−２）と一致し、デバイス製作手順がＮＶスピンコヒーレンスを完全に維持していることが結論付けられ得る。Ｔ２時間の測定を、上記で取得した蛍光計数率およびＮＶスピン読み出しコントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）と組み合わせると、３３ｋＨｚの周波数における５６ｎＴ Ｈｚ−１／２の最大交流磁場感度と、図３Ｄのデータに基づいた６．０μＴ Ｈｚ−１／２の直流感度が取得された。
【0072】
交流磁場感度および直流磁場感度の両方は、それぞれ、スピンデカップリングシ−ケンスとスピン読み出しのための最適化されたパラメータとを使用することによってさらに改善され得る。いくつかの実施形態では、約１０ｎＴ Ｈｚ−１／２から１００ｎＴ Ｈｚ−１／２の間の範囲が、交流磁場感度に対して達成され得る。いくつかの実施形態では、２００、１００、７５、６０、５０、２５、１０、または５ｎＴ Ｈｚ−１／２よりも優れた交流感度が達成され得る。
【0073】
いくつかの実施形態では、約０．５μＴ Ｈｚ−１／２から１０μＴ Ｈｚ−１／２の間の範囲は、直流磁場感度に対して達成され得る。いくつかの実施形態では、５０、２０、１０、６、４、１、０．５μＴ Ｈｚ−１／２よりも優れた直流感度が達成され得る。
【0074】
図４Ａは、本開示の１つ以上の実施形態による、ＡＦＭプローブ先端として使用されるダイヤモンドナノピラーの製作を概略的に示す。概略的に、電子ビームリソグラフィが、ダイヤモンド膜４１４の上部および下部からナノピラーおよびプラットフォームを画定するために使用される。次いで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によって、パターンがダイヤモンドに転写される。マスク蒸着およびトップエッチングは中間構造４１０を生じさせ、中間構造４１０は、図示の実施形態ではＳｉＯ２マスクを有する。マスク蒸着およびボトムエッチングは構造４２０を生じさせ、これは、イオン注入による各個々のナノピラー４０８内での単一ＮＶセンター４１６の作製を可能にする。モノリシックダイヤモンド膜４１４は、数マイクロメートル程度の厚さを有することがある。
【0075】
いくつかの実施形態では、上記の段落で説明した構造は、高純度の単結晶ダイヤモンドの試料から製作され得、この試料は、たとえばＥｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘの電子部品用ダイヤモンドであり得る。単結晶の場合、主要な面（すなわちナノピラーの最終的方向に垂直）は、｛１１１｝、｛１１０｝、または｛１００｝の主結晶軸から実質的に１０度、５度、２度未満であり得る。場合によっては、多結晶すなわちＨＰＨＴタイプのダイヤモンドも適切であり得る。
【0076】
一例では、試料は、約６ｋｅＶのエネルギーおよび約３×１０１１ ｃｍ−２の密度で原子状窒素により衝撃が与えられ、約１０ｎｍの公称平均ＮＶ深度につながり得る。これに続く約８００℃、約２時間のアニーリングは、×２５ＮＶ／μｍ２の密度および約２５ｎｍの深度を有するＮＶセンターの浅い層を生じる。
【0077】
これらの実施形態では、次いで、反応性イオンエッチングを使用して、試料が、注入されていない側から約３μｍの厚さにエッチングされる。いくつかの実施形態では、１０分のＡｒＣｌ２エッチング、続いて３０分のＯ２エッチングおよび１５分の冷却ステップを含む循環のエッチング法が使用され得る。このシーケンスは、数時間のエッチング時間の間にダイヤモンド表面の完全性を維持することを可能にする。上記で説明したように電子ビームリソグラフィおよびＲＩＥを使用することによって、得られる薄いダイヤモンド膜４１４の上に、ダイヤモンドナノピラー２１０の配列が上部に製作されることができる。
【0078】
次に、ダイヤモンド膜の裏面で第２のリソグラフィステップが実行されることができ、これは、ダイヤモンドナノピラーを保持するためのプラットフォームを画定した。最後のＲＩＥプロセスが、レジストパターンを試料に転写し、ダイヤモンド膜が完全に切断され、図４Ａに示される構造をもたらした。図４Ｂは、結果としてのナノピラーを有するダイヤモンドプラットフォームの配列のＳＥＭ画像である。
【0079】
第２の例では、ＮＶは、成長のみを使用して生成され得るか、または照射（たとえば電子線照射）およびアニーリングの当技術分野で公知の方法を使用することによりＮからＮＶへ変換することによって生成され得る。
【0080】
いくつかの実施形態では、上記で説明したナノスケールＮＶセンサシステムは、ナノスケール磁気検知および／または撮像に適用されることができる。たとえば、１つ以上の実施形態では、システム１００は、ダイヤモンドナノピラー２１０によって走査された試料２０９内に含まれるスピンによって生成された磁場を検知するために使用され得る。標準的なスピンエコー技法が、コヒーレントなＮＶ−スピン操作のために使用され得る。これらの実施形態では、マイクロ波源２３０は、ゼーマンシフトの影響下でＮＶセンターのスピンに歳差運動させるＮＶセンターマイクロ波パルスに適用されるように構成され、それによって、外部場の強度は、測定されたゼーマンシフトから決定されることができる。磁気撮像などの用途では、試料表面の磁場画像がシステム２００によって取得されることができるように、マイクロ波源２３０は、ダイヤモンドナノピラー２１０が試料表面を走査している間、ＮＶセンター２０８にマイクロ波パルスを適用するように構成され得る。
【0081】
十分に確立された、上記で言及したコヒーレントなＮＶ−スピン操作のための技法を使用して、ＮＶセンターのスピンコヒーレンス時間Ｔ２が特徴付けられることができる。スピンコヒーレンスは、磁場に対するＮＶ感度を設定し、ＮＶスピンに対して実行できるコヒーレント動作の数を制限する。したがって、スピンコヒーレンスは、磁場撮像および量子情報処理における用途に関する本質的な性能指数である。
【0082】
単一ＮＶコヒーレンス減衰についての情報を取得するために、ハーンエコーパルスシーケンスを使用することができる。このようにして、上記で図２に関して説明したダイヤモンドナノピラーに関して、Ｔ２＝７４．９μｓのスピンコヒーレンス時間が得られる。マイクロ波源２３０によって生成可能な他のデカップリングパルスシーケンスの例としては、限定するものではないが、ＣＰＭＧ（カーパーセルマイボームギル：Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌｌ ＭｅｉｂｏｏｍＧｉｌｌ）パルスシーケンス、ＸＹパルスシーケンス、およびＭＲＥＶＢパルスシーケンスがある。
【0083】
上記で説明した実施形態について、Ｔ２時間の測定を、蛍光計数率およびＮＶスピン読み出しコントラストの測定値と組み合わせると、約３３ｋＨｚの周波数における約５６ｎＴ Ｈｚ−１／２のＡＣ磁場感度と、約６．０μＴ Ｈｚ−１／２のＤＣ磁場感度を取得することができる。ＡＣ磁場感度およびＤＣ磁場感度の両方は、スピンデカップリングシ−ケンスおよび／またはスピン読み出しのために最適化されたパラメータを使用することによってさらに改善されることができる。
【0084】
図５Ａ〜図５Ｅは、走査型ＮＶセンサの解像能力を特徴付ける、ナノスケール磁気記憶媒体の撮像に関する方法および結果を示す。さまざまなビットサイズを有する交互する（面外）磁化のビットトラックからなるナノスケール磁気記憶媒体を撮像した。走査型ＮＶセンサは、ＮＶラビ振動（図示せず）から決定されるような固定周波数ωＭＷおよび一般的な大きさＢＭＷ≒２ＧのＥＳＲ駆動場の存在下で赤色ＮＶ蛍光の継続的な監視によってＮＶ軸に沿った一定の磁場強度（ＢＮＶ）の輪郭を撮像したモードで動作した。ωＭＷは、元の（ｂａｒｅ）ＮＶスピン遷移周波数ωＭＷからδＭＷ離調されていたが、試料による局所磁場は、この離調を画像取得中に変化させた。特に、局所場がＮＶのスピン遷移をωＭＷで共鳴させた場合、ＮＶ蛍光率の低下が観測され、これは、画像内にＢＮＶδＭＷ／γＮＶの定数の輪郭がもたらされた。ここで、γＮＶ＝２．８ＭＨｚＧ−１はＮＶ磁気回転比である。
【0085】
図５Ａは、１７０ｎｍおよび６５ｎｍのビット間隔を有する白色破線によって示される、２筋の磁気ビットの得られた走査型ＮＶ磁気測定画像を示す。正規化データＩｎｏｒｍ＝ＩＲＦ，１／ＩＲＦ，がプロットされ、ＢＮＶ＝±３ＧのＮＶ軸に沿って試料磁場に対応する磁力線を明らかにする。さらに、ＢＮＶ≒５２Ｇのバイアス磁場が適用され、測定された磁場の符号を決定した。観測されたドメインの形状は、書き込まれたトラックに対応する寸法の方形磁区を有する理想化した試料に対するＮＶ磁力計の反応を計算することによって十分に再現される。
【0086】
図５Ｂは、図５Ａに示す画像と類似の磁気画像であるが、ＮＶ−試料距離が推定５０ｎｍ減少している。ＮＶ磁力計の空間解像能は、ＮＶセンターから試料までの距離による影響を受ける。ＮＶを試料に近づけることによって、ＮＶセンサにおける磁場の大きさが増加し、撮像の空間解像能が改善され、幅が×３８ｎｍの磁気ビットの撮像が可能になる。ＮＶセンサを磁気試料により密接に接近させることによって、磁気ビットが、図４Ｂに示すように、約２８ｎｍの平均サイズを有することを明らかにした。この画像では、ドメイン間の境界で生成される大きい場の勾配により、磁場線間の遷移が約３ｎｍの長さスケールで観測され得る。おおよそのＮＶ−試料距離が実験構成を示す概略図に記され、検知ＮＶセンターは、光軸上に固定され、磁気試料は、ピラーの下で走査された。総画像取得時間は、図５Ａでは１１．２分（ピクセルあたり５０ｍｓ）、図５Ｂのデータでは１２．５分（ピクセルあたり７５ｍｓ）であり、レーザ出力は１３０μＷであった。
【0087】
図５Ｃは、検知されたＮＶセンターの光学的に検出されたＥＳＲを示す。図５Ｄは、図５Ｂに示される白色線に沿って切断された線である。図５Ｅは、簡略化した磁気試料という仮定の下で図５Ａの実験状況に対してモデルにより計算されたＮＶ反応を示す。図５Ｆは、観測された最小ドメインが２５ｎｍの平均サイズを有する実験的実現による、図５Ａおよび図５Ｂにおけるような磁気画像である。
【0088】
ＮＶ−試料距離のなお一層の減少は、幅が約２５ｎｍ（図５Ｆ）のさらに小さいドメインの撮像を可能にするが、低下した撮像コントラストがＮＶ軸に対して直角な強力な磁場によって引き起こされ、この磁場は、試料の表面に対してごく近くで生じる。ハードドライブを使用して先端を特徴付けることの欠点のうち１つは、局所磁場が非常に大きく、この技法の通常の動的範囲を超えることである。しかしながら、そのような実験は、ＮＶ−試料距離に関する貴重な情報を提供し、結果として、撮像において空間解像能が達成された。特に、観測される最小磁区サイズに基づいて、走査型ＮＶと試料との間の距離が２５ｎｍに匹敵することが推定される。
【0089】
ダイヤモンド表面に対するＮＶの近さを独立して検証するために、鋭利な金属先端（直径が＜２０ｎｍ）がＮＶを含むピラー上で走査されＮＶの場所を撮像する測定を行った。撮像コントラストは、ＮＶが金属先端の近傍に位置する場合に変化する遠距離場における検出されるＮＶ蛍光から構成された。ＮＶ蛍光率がＮＶと金属試料との間の距離に強く依存するため、この場合、部分的な蛍光消光および励起光強度の局所的な修正に起因して、この技法は、ダイヤモンドナノピラー内でＮＶセンターを正確に配置するために使用されることができる。
【0090】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、走査型ＮＶセンサのナノスケール蛍光消光撮像を示す。図６Ａは、鋭利な金属先端の上でのダイヤモンドピラーの走査に対する実験構成の概略図ならびに生成された蛍光信号である。図６Ｂは、ＮＶセンターの場所における赤色の正方形領域の拡大画像である。図６Ｃは、図６Ｂのデータと同時に取得されたＡＦＭトポグラフィ画像である。
【0091】
鋭利な金属先端の上でダイヤモンドピラーを走査することは、試料トポグラフィによる明るい円形の特徴をもたらす。しかしながら、金属先端をＮＶセンターの場所（正方形で示される）に正確に配置することによって、ＮＶ蛍光の急激なディップがもたらされる。図は、この実験で使用された実験構成を示す。
【0092】
図６Ｂは、図６Ａの正方形領域の拡大画像である。観測された蛍光消光ディップは、×２０ｎｍの空間解像能を有する。図６Ｃは、図６Ｂのデータと同時に取得されるＡＦＭトポグラフィ画像である。スケールバーは、全方向における１００ｎｍの変位を表す。画像取得時間は３５μＷのレーザ出力にて、図６Ａで３０分（ピクセルあたり３２０ｍｓ）、図６Ｂで２．７分（ピクセルあたり２５０ｍｓ）であった。
【0093】
得られるデータは、ＮＶ蛍光信号内の明るいリングとして現れる、走査ダイヤモンドナノピラーのトポグラフィのシグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を示した。しかしながら、より重要なことに、ダイヤモンドプローブの前端が鋭利な金属先端を走査する間、金属先端がＮＶセンターの場所に配置されたとき、ＮＶ蛍光のディップ（図６Ａおよび図６Ｂの拡大画像では正方形）が観測された。この特徴は、どんなトポグラフィの特徴も伴わず、したがって、鋭利な金属先端によるＮＶ蛍光の部分的消光に起因する。この蛍光消光スポットの２５．８ｎｍのガウス幅（標準偏差の２倍）は、おそらく、依然として金属先端のサイズによって制限されており、したがって、ピラー内のＮＶセンターを限局化する機能の上限を示す。そのようなデータは、デバイスのトポグラフィに対して単一のＮＶセンターの位置が見つけられることを可能にする。これは、将来の検知用途および撮像用途における、目標に対する検知ＮＶセンターの正確な整列を非常に容易にし得る。
【0094】
走査型ＮＶセンターと試料との間の距離に対する残る不確実性は、ＮＶ注入プロセスにおける垂直方向の不揃いである。自然に発生する安定したＮＶセンターは、ダイヤモンド表面から３ｎｍの近さで観測されており、そのため、ＮＶセンターの制御された作製の将来の進歩は、ＮＶ−試料距離がさらに改善され、したがって、走査型ＮＶ撮像における空間解像能が約１桁改善されることを可能にするであろう。さらに、ダイヤモンド表面に近い人工的に作製されたＮＶセンターのコヒーレンス性質は、アニーリング法または動的デカップリングによってさらに改善される可能性があり、アニーリング法と動的デカップリングの両方は、走査型ＮＶの磁気検知機能を著しく改善し得る。磁場撮像について、上記で説明した方法を使用する個々の磁区を解像する能力は、非侵襲的で定量的であるという追加の利点を伴って、代替方法の一般的な性能を等しいものにする。
【0095】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、ＮＶ走査センサにより取得された磁気画像のシミュレーションに関する。図７Ａは、ＮＶ走査センサにより撮像された磁気ビットをシミュレートするために使用される電流分布を示し、図７Ｂは、図７Ａの電流分布によって生成され、ＮＶ軸に投影された磁場を示す。
【0096】
走査型ＮＶセンサにより取得された磁気画像を再現するために、実験でサンプリングされ撮像されたハードディスク近傍の局所磁場のモデル計算が実行された。磁区は、図７Ａに示されている試料面内の電流ループの配列によって近似されることができる。ループのサイズは、試料上の磁気ビットの公称サイズに合致するように選定可能であり、図に示されるトラックに対してビット幅２００ｎｍ、ビット長１２５ｎｍおよび５０ｎｍを有する。電流は、（０．１ｎｍ）２あたりおよそ１ボーア磁子の密度に相当する１ｍＡに設定された。これらの値は、実験で観測される磁場強度への最良の量的合致をもたらすことがわかった。次いで、ビオサバールの法則を電流分布に適用して、試料の上方の半平面における磁場分布を得ることができる。
【0097】
図７Ｂは、電流ループの上方５０ｎｍの走査高さにおけるＮＶセンター上への得られた磁場投影を示す。外部から適用された磁場に対するＮＶ−ＥＳＲ反応を監視することによって、ｘ−、ｙ−、およびｚ−が図７Ｂの水平方向、垂直方向、および面外方向である座標系において、ＮＶ方向が、ダイヤモンドナノピラーの（［０１１］）結晶方向に沿っていることが実験的に決定されることができる。外部磁場は、３軸ヘルムホルツコイルを使用して適用され得る。ダイヤモンド結晶軸と走査方向との間の整列誤差によるＮＶ方向のわずかな変化が、実験データを最も良く再現するＮＶ方向を見つけるために可能にされることができる。この手順によって、ＮＶ方向
【0098】
【数1】
【0099】
が見つけられた。ここで、φ＝π１６２／１８０である。
【0100】
この磁場分布は、上記で説明したように、磁気測定走査に対するＮＶセンターの反応を計算するために使用されることができる。この計算では、オリジナルの実験パラメータに従って、９．７ＭＨｚの半値全幅、２０％の可視性、および元のＥＳＲ周波数からの離調±１０ＭＨｚを有する２つの外部ＲＦ源における全幅によるローレンツ型ＥＳＲ反応が仮定された。
【0102】
ＮＶ軸に対して直角の強い磁場Ｂ⊥の存在は、光学的に検出されるＥＳＲにおけるコントラストの減少をもたらし、さらに、ＮＶセンターの全体的な蛍光強度を減少させる。これらの効果は、Ｂ⊥の存在下でのＮＶセンターの光学的基底状態および励起状態におけるＮＶスピンレベルの混合から生じる。そのような混合は、一方ではスピン非保存光学遷移を可能にし、他方では、ＮＶ励起状態（三重項）状態から準安定ＮＶ一重項状態への移行（ｓｈｅｌｖｉｎｇ）におけるスピン依存を抑制する。光励起下でのスピン保存およびスピン依存の移行の両方は、ＮＶセンターの光学的に検出されたＥＳＲにおける非ゼロコントラストの原因であり、したがって、横断方向磁場による抑制は、強く磁化された試料に密に接近している場合のＮＶ磁気測定特徴の消滅を説明する。
【0103】
図８Ａは、ハードディスク試料近傍のＮＶに対する試料位置の関数として全ＮＶ蛍光を示し、図８Ｂは、図８ＡのＮＶ蛍光計数と同時に記録されたＮＶ磁場画像である。図８Ｃは、７つの隣接ピクセルにわたって平均化された、図８Ａに示される白色線に沿って切断された線を示す。具体的には、図８Ａの未加工のＮＶ蛍光計数は、ＮＶと試料表面との間の２５ｎｍの推定距離で試料近傍でダイヤモンドナノピラー内のＮＶを走査するときに観測された。暗い特徴は、Ｂ⊥を増強する磁気ビット上でＮＶが走査されたときに出現するが、逆のものは、局所場によって、Ｂ⊥が減少させられたとき、または長手方向場ＢＮＶが増強されたときに発生する。ビット撮像のこのモードは、図８Ｃに示されるように、およそ２０〜３０ｎｍの空間解像能を可能にする。
【0104】
同時に、本文で説明する技法により記録された磁気画像は、目に見えるほどの撮像コントラストを示さない。図８Ｄは、磁気記憶媒体上の蛍光接近曲線である。図８Ｅは、図８Ａ〜図８Ｄに使用された同じＮＶセンサを用いた磁気撮像を示す。数時間程度の非常に長い積分時間のみが、図８Ｄに示されるような、２０ｎｍ程度の寸法を有する弱い磁気特徴が明らかにされることを可能にする。
【0105】
ＥＳＲコントラストの消滅をもたらす２つの効果、すなわちスピンフリップ光遷移およびｍｓ＝０の電子状態の準安定一重項への移行の割合は、それぞれ、ほぼ
【0106】
【数2】
【0107】
および
【0108】
【数3】
【0109】
であり、ＤＧＳ（ＥＳ）は、それぞれ、２．８７ＧＨｚおよび１．４２５ＧＨｚの基底（励起）状態スピンゼロ磁場分裂である。ＤＧＳ≒２ＤＥＳであると仮定すれば、Ｂ⊥を伴う２つの機構のスケーリングは非常に類似している。したがって、ＥＳＲコントラストの消滅に対するＤＥＳ（ＤＧＳ／２）の特性スケールは、試料に近いＢ⊥が、Ｂ⊥≒ＤＥＳ／γＮＶ≒５１４ガウスであると推測することを可能にする。しかしながら、これは、Ｂ⊥の過大評価をもたらすことがある。なぜなら、より小さな値が、ＮＶスピンポンプの複雑なダイナミクスにより、ＥＳＲコントラストおよびＮＶ蛍光強度にすでに著しく影響を及ぼしていることがあり得るからである。実際のところ、１００Ｇ未満のＢ⊥に対するＮＶ蛍光率の大きな減少が過去に観測されたことがある。この程度での横断方向磁場は、上記の実験で観測された大きな軸上の磁場、ならびに本出願で説明した磁場プロファイルの計算と合致した。これらの図に使用されるパラメータに対して、２０ｎｍのＮＶ−試料距離に対するＢ⊥≒２００ガウスの最大値が取得された。
【0110】
ＮＶ−試料距離は、弱い磁性標的が撮像されることができる全体的な解像能を決定するので、顕微鏡の性能に関する本質的なパラメータである。ＮＶ−試料距離に影響を及ぼし得る３つのパラメータとしては、ダイヤモンドナノピラー内のＮＶセンターの深度、走査型ダイヤモンドナノピラーの汚染、およびＡＦＭ制御がある。
【0111】
ＮＶセンターを制御可能に配置させ、ダイヤモンド表面の近く、たとえば５０ｎｍ、４０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍ、または５ｎｍよりも近くに配置させることが望ましい。
【0112】
イオン注入を使用して作製されるＮＶセンターの深度は、たとえば、ＮＶ作製に使用されるイオンのエネルギーによって制御されることができる。しかしながら、物質内でのイオンの停止はランダムなプロセスであり、したがって、作製されるＮＶセンターの深度は完全には明確ではない。イオン注入におけるこの不揃いによって、走査型ＮＶとダイヤモンドナノピラーの端との距離に対する本質的不確定性が生じる。この作業で使用される６ｋｅＶの注入エネルギー（１０ｎｍの注入深度を有する）の場合、近年、ＮＶの不揃いが１０〜２０ｎｍもの大きさであることが示されている。ＮＶ注入における不揃いは回避が困難であるので、将来的に、ダイヤモンドナノピラー内での所与の検知ＮＶの深度をあらかじめ正確に決定するための技法を開発することが不可欠である。これは、ＮＶセンターのための近年開発されたナノスケール撮像方法を使用して、または明確な磁場源の上でＮＶセンサを走査させることによって、実行されることが可能であろう。
【0113】
成長によって生成されるＮＶセンターの深度は、時間およびＣＶＤダイヤモンド成長プロセスに窒素ドーパントガスを追加する継続時間によって制御され得る。
【0115】
走査動作中に、走査ダイヤモンドナノピラーは、試料または環境から汚染を集め得る。そのような汚染されたダイヤモンド先端に関する一例が、図９Ａに示されるＡＦＭ像に示されている。この画像は、図１０に示される鋭利なダイヤモンド先端を使用して、図１０で用いられる走査プロトコルにより取得された。そのような汚染は、たとえば図９Ａに示されるように、走査型ＮＶセンターから試料までの距離を人工的に数十ｎｍ増加させることができる。汚れた試料上での過剰な走査の後でダイヤモンド先端の汚染をもとに戻すため、「先端清掃技法」は、図９Ａから図９Ｂへの遷移によって示されるように、汚染された先端をその最初のクリーンな状態に戻すことを可能にすることができる。先端の清掃は、ＡＦＭフィードバックなしに、鋭利なダイヤモンド先端（図９Ａに示される）上でのダイヤモンドナノピラーの走査を繰り返すことによって実行され得る。そのようなフィードバックのない走査によって、ダイヤモンドピラーから汚染を部分的に除去することができ、これは、動作の繰り返し後、図９Ｂに示されるデバイスのようなクリーンなデバイスをもたらす。
【0116】
適切な試料清掃、環境条件に対する制御、および時折の「先端清掃」の実行により、先端汚染の悪影響を除去することができる。次いで、これは、ＮＶセンターの優れた光安定性とあいまって、走査型ＮＶセンサの長期動作を可能にする。
【0117】
適切なＡＦＭ制御は、ＮＶセンターが試料表面に近接していることを保証するために必要である。不良な装着および／または不適切なＡＦＭフィードバック制御は、２０ｎｍを超えるＡＦＭ先端−試料距離につながり得る。したがって、ＡＦＭ先端の慎重な装着と、いくつかの実施形態ではＡｔｔｏｃｕｂｅ ＡＳＣ５００コントローラによって提供され得るＡＦＭフィードバックの適切なセットアップおよび調整とは、たとえば蛍光消光特徴を観測するために不可欠である。
【0118】
鋭利な先端を有するナノピラーに関連して先に説明した実験では、蛍光消光によって走査ナノピラー内でのＮＶを限局化するために、鋭利なダイヤモンド先端を製作し、金属で被覆した。ダイヤモンド先端の製作は、上記で説明した走査型ダイヤモンドナノピラーの生成にすでに用いていたナノ製作技法に基づくものであった。タイプＩｂのダイヤモンド（Ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｘ）を、直径１００ｎｍの円形エッチングマスク（流動可能な酸化物、Ｆｏｘ ＸＲ−１５４１、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）でパターンを形成した。
【0119】
円柱状ダイヤモンドナノピラーではなく鋭利なダイヤモンド先端を得るために、先に使用したＲＩＥエッチング法を次のように修正することができる。酸素エッチングの化学作用（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）をピラー製作と同一に保ちながら、ダイヤモンド基板上のエッチングマスクを完全に侵食するなどのためにエッチング時間を大幅に増加させることができる。その結果、エッチングされたダイヤモンド構造は、図１０の代表的なＳＥＭ画像に示されるように、鋭利な先端の形を取得した。一般的な先端半径は１０ｎｍの範囲であり、先端の長さは２００ｎｍ程度であった。
【0120】
上記で説明した実験では、次に、熱による金属蒸発を使用して、鋭利なダイヤモンド先端を薄い金属層で被覆した。金属の酸化を避けるために、金を消光金属として選定することができ、金とダイヤモンドとの間でクロム接着を使用することができる。この作業で用いられる先端の場合、５ｎｍの金および５ｎｍのクロムが使用される。
【0121】
そのうちの１つが図１０に示されているいくつかの実施形態では、円柱状断面ではなく鋭利な尖った先端４１０を有する遠位端を有するダイヤモンドナノピラーが製作され得る。これらの実施形態では、ダイヤモンド膜は、約１００ｎｍ程度の直径を有する円形エッチングマスクでパターンを形成されることができる。鋭利なダイヤモンド先端を得るために、エッチング時間は、ダイヤモンド膜４１４上のエッチングマスクを完全に侵食するように大幅に増加される。その結果、エッチングされたダイヤモンド構造は、図１０に示されるような鋭利な先端４１０の形を取得し得る。
【0122】
個々のＮＶセンターがダイヤモンドナノピラーの遠位端から短い距離にある、ダイヤモンドナノピラーを走査プローブとして使用するナノスケール走査型ＮＶセンサについて説明してきたが、多くの他の変形形態および実施形態が可能である。
【0123】
一般に、ナノスケール走査センサシステムは、光源からの励起光およびマイクロ波源からのマイクロ波パルスに応答して蛍光光を放出するように構成された固体スピン欠陥（たとえば上記で説明したダイヤモンド内のＮＶセンター）を含み得る。システムは、スピン欠陥を含むかまたはこれに結合された光取り出し構造（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をさらに含み得る。この光取り出し構造は、スピン欠陥によって放出される蛍光光を光取り出し構造の出力端の方へ光学的に誘導するように構成され得る。
【0124】
光検出器は、１つ以上のスピン欠陥から放出され、光取り出し構造を通って光学的に誘導された後、光取り出し構造の出力端を通って出た蛍光光を検出するように構成され得る。装着システム（たとえばＡＦＭ）は、光取り出し構造と試料表面との間の相対運動を可能にしながらスピン欠陥と試料の表面との間の距離を制御するように、光取り出し構造を移動可能に保持するように構成され得る。光学顕微鏡は、装着システムに結合され、１つ以上のスピン欠陥に光学的にアドレスしてそれを読み出すように構成され得る。
【0125】
光取り出し構造は、励起光およびマイクロ波がスピン欠陥に適用されている間、試料表面が光取り出し構造によって走査可能であるように、試料表面に対して移動可能に配置可能であり得る。
【0126】
いくつかの実施形態では、光取り出し構造は単結晶ダイヤモンド膜であり得る。いくつかの実施形態では、光取り出し構造は、上記で説明したようなダイヤモンドナノピラーであり得る。
【0127】
いくつかの実施形態では、光取り出し構造の出力端とスピン欠陥との距離は、好ましくは、５０、４０、３０、２０、１０、または５ｎｍ未満であり得る。
【0128】
いくつかの実施形態では、光取り出し構造の出力端とスピン欠陥との距離は、約１μｍであり得る。いくつかの実施形態では、光取り出し構造の出力端とスピン欠陥との距離は、０．５μｍから１０μｍの間であり得る。
【0129】
いくつかの実施形態では、光取り出し構造は、１００ｎｍから３００ｎｍの間の直径と、０．５μｍから５μｍの間の長さとを有し得る。
【0130】
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅ、および図１２Ｆは、スピン欠陥に基づくナノセンサの代替実施形態を示す。図１２Ａは、単結晶ダイヤモンドに基づく光取り出し構造を示す。図１２Ｂは、先の段落で説明したようなＡＦＭに基づくセットアップであるが、モノリシックダイヤモンドの中に形成されたＮＶセンターを有し、ナノピラーを備えず、全内面反射を使用して蛍光を検出器の方へ向けるセットアップを示している。
【0131】
図１２Ｃに示されている実施形態も、同様に、ナノピラーを含まない。むしろ、図１２Ｃの光取り出し構造も、同様に単結晶ダイヤモンドに基づき、ＮＶセンターの光路にＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）を含む。ＳＩＬは、ダイヤモンドの中で加工され得るし、取り付けられた別個のダイヤモンドＳＩＬであってもよいし、別の材料で製作されたＳＩＬであってもよい。図１２Ｄは、この場合もモノリシックダイヤモンドに基づき、ナノピラーを含まないが、全内面反射を使用して蛍光を検出器の方へ向ける代替外形を示す。図１２Ｅは、カンチレバーなしで光取り出し構造を装着できる構成を示す。図１２Ｆでは、ＮＶセンターは、ダイヤモンド材料内部のアズグロウン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）窒素空孔欠陥または（イオン注入された窒素を介してではなく）照射およびアニーリングによってアズグロウン窒素の窒素空孔欠陥への変換によって形成された窒素−空孔欠陥を使用して形成される。
【0132】
図１３Ａ〜図１３Ｇは、ＮＶ距離をさらに減少させることが可能なバックエッチングを示す。上記で説明したように、ＮＶに基づく走査磁力計の最も重要なパラメータのうち１つは、ＮＶセンターと取り付けられた走査プローブの先端の端との間の距離である。
【0133】
この距離が重要なのは、この距離によって、磁気撮像における空間解像能を達成するための下限が設定されるからである。さらに、磁場強度は、通常、距離とともに急激に低下する。そのため、所与の磁気感度に対して、データ取得時間は、距離が減少するにつれて急激に減少する。単一スピンからの場のような磁気ダイポール場を測定すると、場の強度は、距離の３乗で低下する。測定の信号対雑音は積分時間の平方根になるので、必要なデータ取得時間は、したがって、距離により６の逆べき（ｄ−６）に変倍される。すなわち、ＮＶ−標的距離が２分の１に縮小されることができる場合、必要な積分時間は６４分の１に減少する。
【0134】
したがって、ＮＶ磁力計の性能を最適化するために、ＮＶ欠陥と走査先端の端たとえばナノピラーの遠位端（または出力端）との間の距離を最小限に抑えることが重要である。浅いＮＶセンターを作成するための確立された方法は、窒素注入およびその後のアニーリングによるものである。しかしながら、この方法の確率的性質は、単一のＮＶセンターを含む所与のデバイスに関するアプリオリな不明のＮＶ−試料距離をもたらす。さらに、ＮＶ収率および品質は注入距離の深度とともに急激に低下し、そのため、ＮＶセンターは、試料表面に任意に近づけられることはできない。
【0135】
いくつかの実施形態では、許容可能な収率および磁気感度を達成するために、６ｋｅＶのエネルギーにより３ｅ１１ Ｎ／ｃｍ２の適用量で窒素を注入し得る。６ｋｅＶの注入エネルギーは、名目上、表面の下に１０ｎｍの層深度を形成する。しかしながら、上記で説明した実験方法は、およそ２５ｎｍの平均深度を示す。
【0136】
いくつかの実施形態では、ＮＶ−試料距離を減少させるために、ＮＶ−試料距離を正確に測定すること、次いでダイヤモンドプローブの最終端を慎重にエッチングして取り除くことを反復するバックエッチング方法が使用され得る。このスキームでは、この距離は、大幅にたとえば２．３分の１に短縮され得る。重要なことに、ＮＶセンサのスピン性質（Ｔ１、Ｔ２、ＮＶコントラスト、ＮＶカウント）は、この減少中、維持され、そのためＮＶ感度はエッチング中、保持される。したがって、単一スピン撮像のために必要な積分時間は、およそ１４０分の１に短縮された。達成された単一スピン撮像は、２分の積分時間以内に１の信号対雑音比を達成し得る。このバックエッチングにより、撮像は今や、およそ１秒の積分時間で実行され得る。これは本発明の重要な部分であり、したがって、好ましくは１０分、５分、３分、２分、１分、３０秒、１５秒、１０秒、５秒、２秒、１秒、０．５秒未満の実験的積分時間に、単一スピンに対して２の信号対雑音比が達成される。
【0137】
ＮＶと走査先端の端との距離を測定するために、いくつかの実施形態では、グラフェン単層内への蛍光消光の程度を測定することに基づく方法が使用され得る。ＮＶセンターまたは他のスピン欠陥などの光学的放出体が、光学的遠距離場（ｏｐｔｉｃａｌ ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ）内へと放出するのではなく、金属の極近傍（通常、数十ナノメートル以内）に動かされるとき、いくらかの蛍光が金属内へと放出され、プラズモンまたは電子−正孔対のどちらかを作製する。
【0138】
通常、この蛍光消光は、距離とともに急激に変化し（ｄ−４に比例する）、そのため、非常に感度の高い距離の尺度である。金属としてグラフェン層を使用する場合、そのＡＣ伝導度は周知であるので、距離と消光量との間の較正を定量化することができ、これによって正確な距離の決定が可能になる。実際には、これは、グラフェン薄片から離れるＮＶセンターからの蛍光を測定し、次いで、蛍光がグラフェン単層薄片の上で走査された後、どれほど多くの蛍光が減少したかを比較することによって達成される。通常、グラフェン薄片は横方向に分離され、そのため、グラフェン薄片は依然として基板上にある。
【0139】
ナノピラー先端の端は、決定されたＮＶ−試料距離を用いて、ＮＶセンター自体をエッチングして取り除く恐れなしにエッチングされることができる。いくつかの実施形態では、数個の基準、すなわち、１）エッチングは、数（約１〜３）ナノメートル刻みで制御可能にエッチングするのに十分に遅いこと、２）エッチングは、表面終端（通常、酸素終端される）を変化させることによってＮＶの電荷状態に悪影響を及ぼさないこと、および、３）ＮＶ−試料距離を測定した後でエッチングを実行し、約１５０℃以上のプロセスに耐えることができない一連の接着剤を使用する走査プローブにＮＶセンサを装着するので、エッチングプロセスは低温で機能することを満たすこのエッチングを行うためのプロセスが使用され得る。
【0140】
いくつかの実施形態では、このプロセスは弱い酸素プラズマを使用する。図１３Ａは、酸素プラズマによるＮＶ距離の減少を示す。ＲＦ出力は、約１００Ｗであり得、他では、代わりに５０〜１５０Ｗの範囲であり得、低いバイアス電力を伴う。この低バイアス電力は＜５０Ｗであり得る。いくつかの実施形態では、この低バイアス電力は０Ｗであり得る。
【0141】
図１３Ｂは、ダイヤモンド先端上でのエッチングを示す。図１３Ｂに示されるように、３７．５分エッチングすることによって、ほぼ５０％の消光がもたらされる。上記で説明したエッチングプロセスは、一度に最大約２０分間実行され得る。時間が長くなると、過剰な熱が生成されることがあり、これによって、使用されている接着剤が溶けることがある。図１３Ｃは、より多くのエッチング後の消光の増加を示す。いくつかの実施形態では、＜１ｎｍ／分のエッチング速度が達成され得る。これらのエッチング速度は、ダイヤモンドの、エッチングマスクによって部分的に覆された領域をエッチングし、次いで、得られたダイヤモンドプロファイルをＡＦＭにより測定することによって較正され得る。いくつかの実施形態では、エッチングを行うために使用される機械は、プラズマストリッパーであり得る。
【0142】
図１３Ｄはグラフェン消光対エッチング時間を示し、図１３ＥはＮＶ蛍光対エッチング時間を示す。図１３Ｆは、ＮＶ距離を確認するためのＥＳＲカウントを示す。図１３Ｇには、ＮＶ深度対エッチング時間のまとめが記載されている。
【0143】
要約すると、単一ＮＶセンターなどのスピン欠陥を有するナノスケール走査センサに関する方法およびシステムについて説明してきた。これらのセンサは、高い機械的堅牢性および高い信号収集効率とともに、長いスピンコヒーレンス時間を達成する。
【0144】
上記で説明した方法およびシステムは、多くの他の潜在的用途を有する。これらの用途としては、限定するものではないが、光センサ、ならびにシリコン中のリンなどの他のスピンシステム、他のＮＶセンター、または炭素に基づくスピン量子ビットに走査ＮＶスピンをコヒーレントに結合するためのプラットフォームがある。それによって、量子情報を、静止した量子ビットと上記で説明した走査ＮＶセンターとの間で、およびそこから単一光子またはダイヤモンド基盤中の長寿命核スピン量子ビットなどの他の量子ビットシステムに、移すことができる。
【0145】
説明してきた構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点は単なる例に過ぎない。それらのうちいずれも、またはそれらに関する説明も、いかなる形であれ保護の範囲を制限することを意図するものではない。より少数の、追加の、および／または異なる構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点を有する実施形態を含む多数の他の実施形態も企図されている。これらの構成要素およびステップはまた、異なるように配置され順序づけされ得る。
【0146】
記述または図示されたいずれのものも、任意の構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、利点、または同等物の献身を一般化することを意図するものではない。本明細書では、本開示の特定の実施形態について説明しているが、当業者は、本開示に開示されている本発明の概念から逸脱することなく本開示の変形形態を考案することができる。
【0147】
特定の実施形態について説明してきたが、これらの実施形態において暗黙的な概念は他の実施形態でも使用され得ることを理解されたい。本開示では、単数形での要素への言及は、そのように明記されていない限り「唯一の（ｏｎｅ ａｎｄ ｏｎｌｙ ｏｎｅ）」を意味することを意図するのではなく、「１つ以上」を意味することを意図する。本開示全体にわたって説明したさまざまな実施形態の要素に対するあらゆる構造上および機能上の等価物は、当業者に公知であろうと後で公知になろうと、参照により本明細書に明白に組み込まれる。