特許 6616342 磁場検出装置および方法

(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】6616342

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】磁場検出装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20191125BHJP

   G01N 21/63 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/02 A

   G01N21/63

【請求項の数】3

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-36176(P2017-36176)

(22)【出願日】2017年2月28日

(65)【公開番号】特開2018-141706(P2018-141706A)

(43)【公開日】2018年9月13日

【審査請求日】2018年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】松崎 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】角柳 孝輔

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 志郎

(72)【発明者】

【氏名】早瀬 潤子

(72)【発明者】

【氏名】北澤 清香

(72)【発明者】

【氏名】西條 蒼野

【審査官】 永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−２３９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１３４４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−８９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１０７９０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３０８８１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ ３３／００

Ｇ０１Ｎ ２１／６３

Ｇ０１Ｎ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶ中心を有するダイヤモンドから構成され、前記ＮＶ中心は、各々配向軸が互いに異なる第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心を含み、前記第１ＮＶ中心の配向軸と前記第４ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、前記第２ＮＶ中心の配向軸と前記第３ＮＶ中心の配向軸とは、前記ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、前記ＮＶ中心における電子スピンを測定対象の磁場に相互作用させることが可能とされた検出素子と、
前記検出素子の全ての前記ＮＶ中心における電子スピンを基底状態に偏極させる電子スピン状態制御部と、
前記第１ＮＶ中心，前記第２ＮＶ中心，前記第３ＮＶ中心，および前記第４ＮＶ中心の全ての配向軸をそれぞれ前記ｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させるように、前記第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、前記第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、前記第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および前記第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を前記検出素子に照射する第１マイクロ波印加部と、
前記第１ＮＶ中心および前記第４ＮＶ中心の配向軸と、前記第２ＮＶ中心および前記第３ＮＶ中心の配向軸とを、前記ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させるように、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は前記第１の強度とは異なる第２の強度として前記検出素子に照射する第２マイクロ波印加部と、
前記検出素子にレーザー光を照射するレーザー光源と、
前記レーザー光源によりレーザー光が照射された前記検出素子の前記ＮＶ中心の電子スピンの状態を検出する電子スピン状態検出部と
を備えることを特徴とする磁場検出装置。

【請求項2】

請求項１記載の磁場検出装置において、
前記電子スピン状態制御部は、前記レーザー光源により前記検出素子にレーザー光を照射して前記検出素子の前記電子スピンを｜０〉に偏極させ、
前記電子スピン状態検出部は、前記レーザー光源により前記検出素子にレーザー光を照射した前記検出素子から放出される光子を検出する光子検出部である
ことを特徴とする磁場検出装置。

【請求項3】

ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶ中心を有するダイヤモンドから構成され、前記ＮＶ中心は、各々配向軸が互いに異なる第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心を備え、前記第１ＮＶ中心の配向軸と前記第４ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、前記第２ＮＶ中心の配向軸と前記第３ＮＶ中心の配向軸とは、前記ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にある検出素子の全てのＮＶ中心における電子スピン｜０〉に偏極させる電子スピン状態制御ステップと、
前記全てのＮＶ中心における電子スピンを｜０〉に偏極した後、前記第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、前記第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、前記第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および前記第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を前記検出素子に照射し、前記第１ＮＶ中心，前記第２ＮＶ中心，前記第３ＮＶ中心，および前記第４ＮＶ中心の全ての配向軸をそれぞれ前記ｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させる第１配向制御ステップと、
前記第１配向制御ステップの後で、前記第１ＮＶ中心，前記第２ＮＶ中心，前記第３ＮＶ中心，前記第４ＮＶ中心の各々の電子スピンを測定対象の磁場に相互作用させる相互作用ステップと、
前記相互作用ステップの後で、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は前記第１の強度とは異なる第２の強度として前記検出素子に照射し、前記第１ＮＶ中心および前記第４ＮＶ中心の配向軸と、前記第２ＮＶ中心および前記第３ＮＶ中心の配向軸とを、前記ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させる第２配向制御ステップと、
前記第２配向制御ステップの後で、前記検出素子にレーザー光を照射することで前記第１ＮＶ中心，前記第２ＮＶ中心，前記第３ＮＶ中心，前記第４ＮＶ中心の各電子スピンの状態を検出する電子スピン状態検出ステップと
を備えることを特徴とする磁場検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁場検出装置および方法に関し、特に、結晶中の空孔およびこの空孔に隣接する位置の窒素原子とからなるＮＶ中心を備えるダイヤモンドを用いた磁場検出装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

生物学やナノテクノロジーなどの分野では、ナノメートル程度の空間分解能で微弱な磁場を検出できる検出装置（検出器）の実現が望まれている。このような高性能磁場検出のひとつとして、単一ＮＶ中心を含んだダイヤモンドを用いる技術が存在する。ＮＶ中心は、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Nitrogen）と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔（Vacancy）との対からなる複合不純物欠陥である。

【0003】

ＮＶ中心はスピン１であるが、磁場を印加すると、実効的に二準位系として扱えることが知られている。ＮＶ中心の配向軸は、図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、４つの異なる方向をとりえる。空孔Ｖから窒素Ｎに向かう方向がＮＶ中心の配向軸である。各々直交するｘｙｚ軸による座標上で、ＮＶ中心配向軸は、（１，−１，−１）、（−１，１，−１）、（−１，−１，１）、（１，１，１）のいずれかに沿うことが知られている。磁場の検出対象（ターゲット磁場）の配向軸成分をＢとすると、ＮＶ中心の共振周波数がｇ_μBＢだけシフトする。なお、ｇはｇ因子、μＢはボーア磁子である。この周波数シフトが、量子状態の歳差運動を起こす。

【0004】

従来技術では、マイクロ波を用いてＮＶ中心の重ね合わせ状態を生成し、ターゲット磁場のもとでラーモア歳差運動をさせ、レーザー光を用いてスピン状態を読み出すことで、磁場の強度を求めていた（非特許文献１参照）。

【0005】

ダイヤモンド中の多くのＮＶ中心は、配向軸の方向はＮＶ中心ごとにランダムに決定される。予め、ターゲット磁場の他に磁場を印加すると、上述した４種類のＮＶ中心の共振周波数を異なるものにすることができる。従来技術では、４種類のＮＶ中心のうち、１種類だけを用いて磁場の検出を行うことが多かった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】J. M. Taylor et al., "High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution", Nature Physics, vol. 4, pp. 810-816, 2008.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述した磁場検出では、後述するように、検出に用いない３種類のＮＶ中心からの余分なノイズが生じてしまうため、高感度な磁場検出が難しかった。

【0008】

近年になって、形成されているＮＶ中心の配向軸の方向がひとつにそろっているようなダイヤモンドが作製されるようになった。これを用いることで、ダイヤモンド中の全てのＮＶ中心を用いて磁場検出をすることが可能になった。

【0009】

しかしながら、ＮＶ中心を用いた磁場検出では、高い精度で読み出せるのは、ターゲット磁場の配向軸成分のみである。このため、ＮＶ中心の配向軸がそろったダイヤモンドを用いると、感度が、ターゲットの磁場の方向に強く依存してしまう。ダイヤモンド自体を力学的に回転させることで、原理的には全ての方向での高感度センサが実現できるが、この場合はレーザーなど光学系の調整をやり直す必要があるので、現実的ではない。

【0010】

上述したように、従来では、ＮＶ中心を用いた任意の方向に対する高感度な磁場検出が、容易に実施できないという問題があった。

【0011】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＮＶ中心を用いた任意の方向に対する高感度な磁場検出が、容易に実施できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る磁場検出装置は、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶ中心を有するダイヤモンドから構成され、ＮＶ中心は、各々配向軸が互いに異なる第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心を含み、第１ＮＶ中心の配向軸と第４ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、第２ＮＶ中心の配向軸と第３ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、ＮＶ中心における電子スピンを測定対象の磁場に相互作用させることが可能とされた検出素子と、検出素子の全てのＮＶ中心における電子スピンを基底状態に偏極させる電子スピン状態制御部と、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，および第４ＮＶ中心の全ての配向軸をそれぞれｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させるように、第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を検出素子に照射する第１マイクロ波印加部と、第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心の配向軸と、第２ＮＶ中心および第３ＮＶ中心の配向軸とを、ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させるように、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は第１の強度とは異なる第２の強度として検出素子に照射する第２マイクロ波印加部と、検出素子にレーザー光を照射するレーザー光源と、レーザー光源によりレーザー光が照射された検出素子のＮＶ中心の電子スピンの状態を検出する電子スピン状態検出部とを備える。

【0013】

上記磁場検出装置において、電子スピン状態制御部は、レーザー光源により検出素子にレーザー光を照射して検出素子の電子スピンを｜０〉に偏極させ、電子スピン状態検出部は、レーザー光源により検出素子にレーザー光を照射した検出素子から放出される光子を検出する光子検出部である。

【0014】

本発明に係る磁場検出方法は、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶ中心を有するダイヤモンドから構成され、ＮＶ中心は、各々配向軸が互いに異なる第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心を備え、第１ＮＶ中心の配向軸と第４ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあり、第２ＮＶ中心の配向軸と第３ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にある検出素子の全てのＮＶ中心における電子スピン｜０〉に偏極させる電子スピン状態制御ステップと、全てのＮＶ中心における電子スピンを｜０〉に偏極した後、第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を検出素子に照射し、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，および第４ＮＶ中心の全ての配向軸をそれぞれｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させる第１配向制御ステップと、第１配向制御ステップの後で、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各々の電子スピンを測定対象の磁場に相互作用させる相互作用ステップと、相互作用ステップの後で、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は第１の強度とは異なる第２の強度として検出素子に照射し、第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心の配向軸と、第２ＮＶ中心および第３ＮＶ中心の配向軸とを、ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させる第２配向制御ステップと、第２配向制御ステップの後で、検出素子にレーザー光を照射することで第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各電子スピンの状態を検出する電子スピン状態検出ステップとを備える。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明によれば、検出対象の磁場に相互作用させた後、配向軸が異なるＮＶ中心のなかで、互いに配向軸がｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあるＮＶ中心毎に、ｘ軸の周りに異なる角度に回転させるようにしたので、ＮＶ中心を用いた任意の方向に対する高感度な磁場検出が、容易に実施できるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の実施の形態における磁場検出装置の構成を示す構成図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態における磁場検出方法を説明するためのフローチャートである。

【図3】図３は、ＮＶ中心の配向軸について説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態に係る磁場検出装置ついて図１を参照して説明する。この磁場検出装置は、検出素子１０１、電子スピン状態制御部１０２、第１マイクロ波制御部１０３、第２マイクロ波制御部１０４、光源（レーザー光源）１１２、光子検出部（電子スピン状態検出部）１０５を備える。

【0018】

検出素子１０１は、ダイヤモンドから構成され、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔との対からなる複合不純物欠陥であるＮＶ中心１２１を有する。ＮＶ中心１２１は、各々配向軸が互いに異なる第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心が存在している。ここで、第１ＮＶ中心の配向軸と第４ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にある。また、第２ＮＶ中心の配向軸と第３ＮＶ中心の配向軸とは、ｘ軸を中心に１８０°回転した関係にある。検出素子１０１は、ＮＶ中心１２１における電子スピンを、測定対象１１３の磁場に相互作用させることが可能とされている。

【0019】

検出素子１０１は、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブ１１０の先端に取り付けて用いればよい。また、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの走査型プローブ顕微鏡のプローブ先端に取り付けて用いてもよい。

【0020】

電子スピン状態制御部１０２は、検出素子１０１のＮＶ中心における電子スピンを｜０〉（基底状態）に偏極させる。例えば、電子スピン状態制御部１０２は、光源１１２を制御して検出素子１０１にレーザー光を照射し、光学的遷移を利用して電子スピンを｜０〉の状態に偏極させる。電子スピン状態制御部１０２は、第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心の全てにおいて、電子スピンを基底状態に偏極させる。

【0021】

第１マイクロ波制御部１０３は、マイクロ波照射部１１１を制御し、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，および第４ＮＶ中心の全ての配向軸をそれぞれｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させるように、マイクロ波を検出素子に照射する（第１マイクロ波印加部）。ここで、第１マイクロ波制御部１０３は、マイクロ波照射部１１１を制御し、第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を検出素子１０１に照射する。

【0022】

第２マイクロ波制御部１０４は、マイクロ波照射部１１１を制御してマイクロ波を検出素子１０１に照射し、第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心の配向軸と、第２ＮＶ中心および第３ＮＶ中心の配向軸とを、ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させる（第２マイクロ波印加部）。これらの状態とするために、第２マイクロ波制御部１０４は、マイクロ波照射部１１１を制御し、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は第１の強度とは異なる第２の強度として検出素子１０１に照射する。

【0023】

光子検出部１０５は、光源１１２によりレーザー光が照射された検出素子１０１のＮＶ中心の電子スピンの状態を検出する。光子検出部１０５は、光源１１２によりレーザー光を照射された検出素子１０１から放出される光子を検出する。

【0024】

次に、本発明の実施の形態における磁場検出方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。

【0025】

まず、ステップＳ２０１で、電子スピン状態制御部１０２により、検出素子１０１における全てのＮＶ中心における電子スピン｜０〉に偏極させる（電子スピン状態制御ステップ）。実施の形態では、ステップＳ２０１で、検出素子１０１における第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心の全てにおいて、電子スピンを基底状態に偏極させる。

【0026】

上述したように全てのＮＶ中心における電子スピンを｜０〉に偏極した後、ステップＳ２０１で、第１ＮＶ中心の共振周波数の第１マイクロ波、第２ＮＶ中心の共振周波数の第２マイクロ波、第３ＮＶ中心の共振周波数の第３マイクロ波、および第４ＮＶ中心の共振周波数の第４マイクロ波を検出素子１０１に照射する。第１マイクロ波制御部１０３が、マイクロ波照射部１１１を制御し、上述した各マイクロ波を検出素子１０１に同時に照射する。この照射により、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の全ての配向軸を、ｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させる（第１配向制御ステップ）。

【0027】

次に、ステップＳ２０３で、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各々の電子スピンを測定対象１１３の磁場に相互作用させる（相互作用ステップ）。例えば、プローブ１１０を動作させて検出素子１０１を移動させ、測定対象１１３からの磁場（ターゲット磁場）が検出可能な位置に検出素子１０１を配置すればよい。この相互作用は、所定の時間継続させる。

【0028】

次に、ステップＳ２０４で、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は第１の強度とは異なる第２の強度として検出素子１０１に照射する。第２マイクロ波制御部１０４が、マイクロ波照射部１１１を制御し、上述した条件とした各マイクロ波を検出素子１０１に同時に照射する。これにより、第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心の配向軸と、第２ＮＶ中心および第３ＮＶ中心の配向軸とを、ｘ軸の周りに互いに異なる角度で回転させる（第２配向制御ステップ）。

【0029】

次に、ステップＳ２０５で、検出素子１０１にレーザー光を照射することで第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各電子スピンの状態を検出する（電子スピン状態検出ステップ）。電子スピン状態制御部１０２の制御により光源１１２からのレーザー光を検出素子１０１に照射し、この結果、検出素子１０１から放出される光子を光子検出部１０５で検出することで、ＮＶ中心における電子スピンの状態を検出する。この後、ステップＳ２０６で、検出された電子スピンの状態が｜０〉となる確率を求め、ステップＳ２０７で、測定対象１１３における磁場の強度を算出する。

【0030】

以下、本発明について、より詳細に説明する。はじめに、従来用いられているＮＶ中心を用いた磁場の検出について説明する。ＮＶ中心は、周波数選択則を用いることで実効的に二準位系として扱えるため、ハミルトニアンＨ_kは以下のように書き表せる。

【0031】

【数1】

【0032】

なお、Ｂは、ターゲット磁場の配向軸成分を示すベクトル、ｇはｇ因子、μＢはボーア磁子である。また、ｄ_kは、ＮＶ中心の配向軸を示すベクトルであり、ｋの値に応じて以下に示す式により定義される。

【0033】

【数2】

【0034】

説明を簡単にするため、４つのＮＶ中心を用いて磁場検出装置を構成する場合を考え、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の配向軸は、各々、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃、ｄ₄で特徴づけられるものとする。ターゲット磁場の他に、値が既知である磁場をあらかじめ印加しておくことで、各配向軸によって、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心に異なる共振周波数を持たせることができる。このため、周波数選択則により、異なる配向軸を持つ第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心は独立に操作することが可能である。

【0035】

ｄ_kで特徴づけられる配向軸を持つＮＶ中心は、マイクロ波の印加がない場合、以下の式で記述されるマスター方程式に従って時間発展（ターゲット磁場との相互作用）を行う。

【0036】

【数3】

【0037】

この系で、グリーンレーザーを用いて初期化を行い、全てのＮＶ中心を状態｜０〉にする。次いで、ｄ_kで特徴づけられる配向軸を持つ第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心に、各々の共振周波数のマイクロ波を照射してｙ軸周りにπ／２回転を行うことで、以下の状態とする。

【0038】

【数4】

【0039】

式（７）で示される状態から、マスター方程式に従い時間ｔだけ、ターゲット磁場に相互作用させて時間発展させた後、マイクロ波を照射してｘ軸周りにπ／２回転を行うと、ｄ_kで特徴づけられる配向軸を持つ各ＮＶ中心の密度行列の対角成分は、以下のように表される（ただし、ｄ_k以外の配向軸を持つＮＶ中心は｜０〉の状態のままである）。なお、ターゲット磁場に相互作用させた状態では、ＮＶ中心の配向軸がｘｙ平面（座標）上で回転しており、この状態を検出することができない。このため、ｘ軸周りに所定の角度回転させて回転面をｚ軸方向に移動させ、状態が検出できるようにする。

【0040】

【数5】

【0041】

ここで、ω_k＝ｇ_μbＢ・ｄ_kと定義する。

【0042】

以上の操作の後で、グリーンレーザーの照射により全てのＮＶ中心の状態を光に転写すると、以下に記述される光子の状態が得られる。

【0043】

【数6】

【0044】

α_j（ｊ＝０，１）はＮＶ中心が｜ｊ〉の状態にあるときに光子を放出する確率を表し、｜ｊ〉_phは光子のフォック状態を表す。また、実験では多くの光子が環境に吸収されるため、α_j≪１の条件を仮定する。

【0045】

【数7】

【0046】

ここでは、ターゲット磁場の配向軸成分Ｂが微弱であることを仮定している。上述した式で記述される実験を、ｋ＝１とｋ＝４とに関して行い、以下の期待値を得る。得られた期待値から、ターゲット磁場の強度を算出する。

【0047】

【数8】

【0048】

従って、Ｂ_xの推定値の誤差は、以下の式により計算されるものとなる。

【0049】

【数9】

【0050】

Ｂ_yとＢ_zに関しても、ｋの選びかたを変えることで、上述した操作と同様の計算を行うことができる。

【0051】

以上に説明したように、従来では、ある１つの配向軸を持つＮＶ中心のみをマイクロ波で制御するため、これ以外の３つの配向軸を持つＮＶ中心（磁場の強度に関わらず状態は｜０〉のままである）からの発光がノイズとなり、感度が悪化することが問題であった。

【0052】

本発明では、４つの異なる周波数のマイクロ波を同時に印加することで、第１ＮＶ中心、第２ＮＶ中心、第３ＮＶ中心、および第４ＮＶ中心の全てを同時に制御し、磁場推定の誤差を抑えることを特徴とする。具体的には、まず、光源１１２からのグリーンレーザーによる初期化を実施する（電子スピン状態制御ステップ）。次に、第１マイクロ波制御部１０３による４つの異なる周波数のマイクロ波の同時印加によりｙ軸周りにπ／２回転を行う（第１配向制御ステップ）。次に、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各々の電子スピンをターゲット磁場に相互作用させ、時間ｔだけマスター方程式に従う時間発展を行う（相互作用ステップ）。

【0053】

次に、第２マイクロ波制御部１０４により、第１マイクロ波および第４マイクロ波は第１の強度とし、第２マイクロ波および第３マイクロ波は前記第１の強度とは異なる第２の強度として照射することで、第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心はｘ軸周りにπ／２回転させ、第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心は、ｘ軸周りに３π／２回転を行う。

【0054】

これらのことにより、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の状態が、ターゲット磁場の依存性を持つようになり、レーザー光の照射により検出素子１０１から放出される光子の総量が、微弱な磁場に対しても大きく変化するようになる。この結果、本発明によれば、従来に比較して感度を約４倍にすることができる。

【0055】

以下、本発明の実施の形態について、より詳細に説明する。

【0056】

［電子スピン状態制御ステップ］
前述と同じ系を用いてグリーンレーザーによる初期化を行い、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心を状態｜ｊ〉にする（初期化）。

【0057】

［第１配向制御ステップ］
次に、第１ＮＶ中心，第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心，第４ＮＶ中心の各々に、共振周波数の第１マイクロ波，第２マイクロ波，第３マイクロ波，第４マイクロ波を照射し、全ての配向軸を前記ｘ軸に直交するｙ軸を中心にπ／２回転させ、以下の式（１９）で示す状態とする。

【0058】

【数10】

【0059】

［相互作用ステップ］
上述した状態から、マスター方程式に従い時間ｔだけターゲット磁場に相互作用させて時間発展させる。

【0060】

［第２配向制御ステップ］
次に、ｄ₁およびｄ₄で特徴づけられる配向軸を持つ第１ＮＶ中心および第４ＮＶ中心は、第１マイクロ波および第４マイクロ波を第１の強度として照射し、例えばｘ軸周りに３π／２回転させる。一方、ｄ₂およびｄ₃で特徴づけられる配向軸を持つ第２ＮＶ中心および第３ＮＶ中心は、第２マイクロ波および第３マイクロ波を第２の強度として照射してｘ軸周りにπ／２回転させる。

【0061】

上述したように、第１ＮＶ中心，第４ＮＶ中心と、第２ＮＶ中心，第３ＮＶ中心とで異なる操作をすると、各ＮＶ中心の密度行列の対角成分は、以下に示すように表される。まず、第２マイクロ波および第３マイクロ波の密度行列の対角成分は、式（２１）および式（２２）で表される。また、第１マイクロ波および第４マイクロ波の密度行列の対角成分は、式（２２）および式（２３）で表される。

【0062】

【数11】

【0063】

［電子スピン状態検出ステップ］
上述した操作の後、電子スピン状態制御部１０２の制御により光源１１２からのレーザー光を検出素子１０１に照射し、この結果、検出素子１０１から放出される光子を光子検出部１０５で検出すると、以下に記述される光子の状態が得られる。

【0064】

【数12】

【0065】

従って、検出素子１０１より放出される光子の総量の期待値は、以下に示すものとなる。

【0066】

【数13】

【0067】

従って、実施の形態によれば、ターゲット磁場の推定値の誤差は、以下の式（２８）で計算されるものとなる。

【0068】

【数14】

【0069】

従来の技術では、式（１８）に示したように、ターゲット磁場の推定値は、以下の式（２９）となる。

【0070】

【数15】

【0071】

α₀≒α₁であることから、実施の形態によれば、従来に比較して推定値の誤差を１／４にできることが分かる。同様にして印加するマイクロ波を代えることで、δＢ_yおよびδＢ_zも推定することができる。

【0072】

ところで、上述した実施の形態では、α₀、α₁、γが全てのＮＶ中心で等しいことを仮定していた。実際の実験では、ＮＶ中心の持つ配向軸の種類によって、α₀、α₁、γの値が、各々わずかに変わりうる。このような場合は、相互作用させる（時間発展させる）時間ｔを、配向軸の種類によって変えることで、上述した実施の形態と同様に、ベクトル磁場の検出が可能であることを示す。

【0073】

具体的には、上述した実施の形態と同様であるが、ｄ_kで特徴づけられるＮＶ中心に関してはｔ_kだけ時間発展させる点だけ変更する。第１ＮＶ中心と第２ＮＶ中心と第３ＮＶ中心と第４ＮＶ中心とで、各々相互作用させる時間を変更する。

【0074】

これにより、読み出しのグリーンレーザーの照射により、全てのＮＶ中心の状態を光に転写すると、以下に記述される光子の状態が得られる。

【0075】

【数16】

【0076】

以上のことより、各々相互作用させる時間を変更して本発明の磁場検出方法を実施すると、検出素子１０１より放出される光子の総量の期待値は、以下の式（３３）で示されるものとなる。

【0077】

【数17】

【0078】

また、一般性を失うことなく、以下の条件が全てのｋに対して成立することが仮定できる。

【0079】

【数18】

【0080】

以上に示した場合、Ｂ_xの推定誤差は、以下の式（４０） で示されるものとなる。

【0081】

【数19】

【0082】

ｔ_max＝Ｍαｘ｛ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，ｔ₄｝であるので、上述した方法においてもやはり、従来と比較して約４倍の感度の向上が可能である。

【0083】

以上に説明したように、本発明によれば、検出対象の磁場に相互作用させた後、配向軸が異なるＮＶ中心のなかで、互いに配向軸がｘ軸を中心に１８０°回転した関係にあるＮＶ中心毎に、ｘ軸の周りに異なる角度に回転させるようにしたので、ＮＶ中心を用いた任意の方向に対する高感度な磁場検出が、容易に実施できるようになる。

【0084】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0085】

１０１…検出素子、１０２…電子スピン状態制御部、１０３…第１マイクロ波制御部、１０４…第２マイクロ波制御部、１０５…光子検出部（電子スピン状態検出部）、１１０…プローブ、１１１…マイクロ波照射部、１１３…測定対象、１２１…ＮＶ中心。

【図1】

【図2】

【図3】