特開 2024-23101 量子素子およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024023101

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】量子素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/04 20060101AFI20240214BHJP

   C30B 33/04 20060101ALI20240214BHJP

   C30B 33/06 20060101ALI20240214BHJP

   C30B 33/00 20060101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

C30B29/04 E

C30B33/04

C30B33/06

C30B33/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022126696

(22)【出願日】2022-08-08

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(71)【出願人】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】山口 尚秀

(72)【発明者】

【氏名】蔭浦 泰資

(72)【発明者】

【氏名】笹間 陽介

(72)【発明者】

【氏名】谷口 尚

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 賢司

(72)【発明者】

【氏名】小野田 忍

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BA03

4G077FF10

4G077FH05

4G077FH09

4G077FJ06

4G077FJ10

(57)【要約】

【課題】内部に含まれる窒素の密度を低下させた場合であっても、ＮＶ^－をより安定化可能な量子素子およびその製造方法を実現する。
【解決手段】量子素子（１０）は、窒素・空孔センター（ＮＶ）を内部に含み、水素終端化された表面領域（F０）を有するダイヤモンド（１１）と、前記水素終端化された表面領域を封止する封止部（１２）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素・空孔センターを内部に含み、水素終端化された表面領域を有するダイヤモンドと、
前記水素終端化された表面領域を封止する封止部と、
を備える量子素子。

【請求項2】

前記封止部は、前記水素終端化された表面領域に密着または接合する薄膜または薄片である、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項3】

前記封止部は、酸化物、窒化物、弗化物、又は樹脂材料から構成される、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項4】

前記封止部は、金属から構成される、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項5】

前記複数の窒素・空孔センターの内、５０％を超える窒素・空孔センターにおいて、電界を印加しない状態で、光検出磁気共鳴が観測される、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項6】

前記複数の窒素・空孔センターは、前記表面領域から２００［ｎｍ］以下の深さに配置される、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項7】

前記複数の窒素・空孔センターは、前記表面領域から見て、１０^１［ｃｍ^－２］以上、１０^１３［ｃｍ^－２］以下の面密度を有する、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項8】

前記封止部は、３００［ｎｍ］以下の厚さを有する、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項9】

前記ダイヤモンドは、前記表面領域から見て、１０^１３[ｃｍ^－２］以下の面密度の窒素原子を内部に含む、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項10】

前記量子素子は、核磁気共鳴、磁場、電場、温度、歪、またはｐＨを検出する量子センサ、量子ビットを保持する量子メモリ、量子ビットを操作する量子演算素子、または単一光子を発生する量子光源である、
請求項１に記載の量子素子。

【請求項11】

ダイヤモンドの内部に窒素・空孔センターを形成する形成工程と、
前記複数の窒素・空孔センターが形成されたダイヤモンドの表面領域の少なくとも一部を水素終端化する水素終端化工程と、
前記水素終端化された表面領域を封止する封止工程と、
を有する量子素子の製造方法。

【請求項12】

前記封止工程において、前記水素終端化された表面領域は、大気に暴露されることなく、封止される、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【請求項13】

前記封止工程は、結晶を劈開することにより得られた薄片を前記表面領域に密着させることで、前記表面領域を前記薄片で封止する工程を有する、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【請求項14】

前記封止工程は、物理気相成膜法、又は化学気相成膜法によって、前記表面領域上に薄膜を形成する工程を有する、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【請求項15】

前記薄片で封止する工程又は前記薄膜を形成する工程は、真空下、又は、不活性ガス、水素ガス、又は不活性ガスと水素ガスの混合ガスの雰囲気下で、行われる、
請求項１３又は１４に記載の量子素子の製造方法。

【請求項16】

前記封止工程は、前記形成された薄膜を酸化させる工程を有する、
請求項１４に記載の量子素子の製造方法。

【請求項17】

前記封止工程は、前記表面領域に樹脂材料を塗布する工程を有する、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【請求項18】

前記形成工程は、
前記表面領域を通して前記ダイヤモンドの内部に窒素イオンとして窒素を注入する工程と、
前記注入された窒素から窒素・空孔センターを形成する工程と、を有し、
前記窒素イオンを注入する工程において、前記表面領域を通して前記ダイヤモンドの内部に注入される窒素イオンの面密度は、１０^１３［ｃｍ^－２］以下である、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【請求項19】

前記窒素・空孔センターを形成する工程において、前記ダイヤモンド中に形成される窒素・空孔センターの面密度は、１０^１３[ｃｍ^－２］以下である、請求項１８に記載の量子素子の製造方法。

【請求項20】

前記製造される量子素子が、請求項１から１０のいずれか１項に記載の量子素子である、
請求項１１に記載の量子素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子素子およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

窒素と空孔が隣り合って存在する窒素・空孔センターが内部に設けられたダイヤモンドを用いる量子素子の開発が進められている。この量子素子においては、窒素・空孔センターの電荷状態を電界によって制御できることが好ましい。このために、ダイヤモンド表面近くに窒素・空孔センターを形成し、この表面を水素終端化することが試みられている。このとき、量子状態の観測及び操作には、負に帯電した窒素・空孔センター（ＮＶ^－）が用いられる。

【0003】

非特許文献１では、ダイヤモンドに窒素イオンを打ち込むことにより窒素・空孔センターを形成した後、ダイヤモンドの表面を水素終端化し、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：ＯｐｔｉｃａｌｌｙＤｅｔｅｃｔｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトルを観測することで、ＮＶ^－が存在することを確認している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｎａｔｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．１，ｐｐ．５０２－５０７（２０１８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、窒素・空孔センターが内部に設けられた量子素子においては、ダイヤモンド中の窒素の密度を低下させることが好ましい。窒素の好ましい密度の一例としては、１０^９［ｃｍ^－２］が挙げられる。その一方で、本願の発明者らは、窒素の密度を低下させればさせるほど水素終端表面下のＮＶ^－の安定性が低下するため、ＮＶ^－を存在させることが難しいことを見出した。なお、非特許文献１においてＮＶ^－の存在を確認できたのは、内部に設けられた窒素の密度が高い（１０^１３［ｃｍ^－２］）ためと考えられる。

【0006】

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、内部に含まれる窒素の密度を低下させた場合であっても、ＮＶ^－をより安定化可能な量子素子およびその製造方法を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る量子素子は、窒素・空孔センターを内部に含み、水素終端化された表面領域を有するダイヤモンドと、前記水素終端化された表面領域を封止する封止部と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、内部に含まれる窒素の密度を低下させた場合であっても、ＮＶ^－をより安定化可能な量子素子およびその製造方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る量子素子を表す図である。

【図2】窒素・空孔センターのエネルギー準位を表す図である。

【図3】窒素・空孔センターのエネルギー準位を表す図である。

【図4】量子素子の製造方法の一例を表すフロー図である。

【図5】製造中の量子素子を表す図である。

【図6】製造中の量子素子を表す図である。

【図7】製造中の量子素子を表す図である。

【図8】蛍光強度の面内分布を表す図である。

【図9】蛍光強度の面内分布を表す図である。

【図10】蛍光強度の面内分布を表す図である。

【図11】観測されたＯＤＭＲのスペクトルの一例を表すグラフである。

【図12】観測されたラビ振動の一例を表すグラフである。

【図13】観測されたハーンエコーの一例を表すグラフである。

【図14】水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。

【図15】水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。

【図16】水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。

【図17】水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。

【図18】水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る量子素子１０を表す模式図である。

【0011】

量子素子１０の適用例としては、核磁気共鳴、磁場、電場、温度、歪、またはｐＨを検出する量子センサ、量子ビットを保持する量子メモリ、量子ビットを操作する量子演算素子、及び単一光子を発生する量子光源が挙げられる。なお、これらの適用例については、後述する。

【0012】

〔量子素子の構成〕
量子素子１０は、ダイヤモンド１１と封止部１２とを有する。ダイヤモンド１１は、窒素・空孔センターＮＶを内部に含み、水素終端化された表面領域Ｆ０を有する。ダイヤモンド１１に含まれる窒素・空孔センターＮＶの数は、限定されず、１又は複数の何れであってもよい。

【0013】

ダイヤモンド１１は単結晶であることが好ましい。その場合、ダイヤモンド１１の表面の結晶面方位は、（１１１）、（１００）、及び（１１３）の何れかであることが好ましい。特に、結晶面が（１１１）のダイヤモンド１１に、化学気相合成法でデルタドープの窒素・空孔センターＮＶを作れば、表面に対して垂直な方向に沿って窒素・空孔センターＮＶのＮからＶに向かう方向を配向できるため、実効的な磁気感度を向上させることができる。

【0014】

また、ダイヤモンド１１においては、炭素のうち^１３Ｃの濃度を減らし、^１２Ｃの割合を高めることが好ましい。この構成によれば、^１３Ｃ核スピンのフリップ・フロップによる局所磁場の変動を低減し、コヒーレンス時間を長くすることができる。

【0015】

ダイヤモンド１１の表面領域Ｆ０（封止部１２側）の表面粗さＲａは、小さいほど好ましく、具体的には、０［ｎｍ］以上、１０［ｎｍ］以下が好ましく、０［ｎｍ］以上１［ｎｍ］以下がより好ましく、０［ｎｍ］以上、０．１［ｎｍ］以下（原子レベルで平滑な表面）がさらに一層好ましい。

【0016】

窒素・空孔センターＮＶは、一種の色中心であり、ダイヤモンド１１中に隣接する窒素と空孔の組である。より詳細には、窒素・空孔センターＮＶは、ダイヤモンド１１中で、本来は炭素原子（Ｃ）があるべきところが窒素（Ｎ）で置換され、隣接する本来は炭素原子（Ｃ）があるべき位置に空孔（Ｖ）がある複合欠陥である。

【0017】

窒素・空孔センターＮＶは、封止部１２の下方、特に、表面領域Ｆ０から深さＤを中心に分布する。深さＤは、窒素・空孔センターＮＶの分布（体積密度）が最大値をとる表面領域Ｆ０からの距離である。後述のように、窒素・空孔センターＮＶをダイヤモンド１１の内部に注入された窒素イオンから形成する場合は、窒素・空孔センターＮＶの分布は、注入された窒素の分布と対応する。

【0018】

窒素・空孔センターＮＶは、非帯電のＮＶ^０、正に帯電したＮＶ^＋、及び負に帯電したＮＶ^－という３つの電荷状態を取り得る。

【0019】

これらの電荷状態は、蛍光スペクトルから判別可能である。ＮＶ^０とＮＶ^－は、波長５３２［ｎｍ］程度の緑色レーザーを照射することで、それぞれ特徴的な蛍光スペクトルを示し、その差によって電荷状態を判別可能である。ＮＶ^０の蛍光スペクトルは５７５［ｎｍ］にゼロフォノン線を有し、ＮＶ^－の蛍光スペクトルは６３７［ｎｍ］にゼロフォノン線を有する。どちらのスペクトルも、ゼロフォノン線よりも長波長側にブロードなフォノンサイドバンドを有し、シリコン検出器で計測できる。一方、ＮＶ^＋はシリコン検出器では計測できない。

【0020】

ＮＶ^－は、量子ビットの初期化、操作、読み出しが可能であり、室温下で量子ビットとして利用できる。すなわち、ＮＶ^－は、電子スピンＳ＝１を有し、光照射によるスピンの偏極（量子ビットの初期化）、マイクロ波によるスピン共鳴（量子ビットの操作）、蛍光強度によるスピン状態の観測（量子ビットの読み出し）が可能である。

【0021】

ＮＶ^－は、磁気量子数ｍ_Ｓが、０（ｍ_Ｓ＝０）、＋１（ｍ_Ｓ＝＋１）、および－１（ｍ_Ｓ＝－１）の状態を取り得る。図２、図３は、ＮＶ^－のバンド状態を表す模式図である。このうち、図２は、「ｍ_Ｓ＝０」の状態からの励起を表し、図３は、「ｍ_Ｓ＝±１」の状態からの励起を表す。

【0022】

図２，図３に示すように、「ｍ_Ｓ＝０」の状態と「ｍ_Ｓ＝±１」の状態との間には、磁場の非印加下であっても、エネルギー差（ゼロ磁場分裂）があるが、このエネルギー差は、１１．９［μｅＶ］（マイクロ波の周波数換算で、２．８８［ＧＨｚ］）と、比較的小さい。このため、室温・熱平衡状態では、「ｍ_Ｓ＝０」と「ｍ_Ｓ＝±１」の状態間で、占有確率に実質的な差はない。

【0023】

しかし、ＮＶ^－に波長５３２［ｎｍ］程度の緑色レーザーを照射することで、基底状態間で占有確率に大きな差が生じ、「ｍ_Ｓ＝０」の基底状態が優位となる。すなわち、ＮＶ^－は、光照射によるスピン偏極（光照射による初期化）が可能である。

【0024】

図２に示すように、「ｍ_Ｓ＝０」の基底状態から励起されると（経路Ｅ１１）、赤色光を放出して「ｍ_Ｓ＝０」の基底状態へと戻る（経路Ｅ１２）。これに対し、図３に示すように、「ｍ_Ｓ＝±１」の基底状態から励起されると（経路Ｅ２１）、赤色光を放出して「ｍ_Ｓ＝±１」の基底状態へと戻る（経路Ｅ２２）以外に、「ｍ_Ｓ＝±１」の励起状態から光放出をせずに「ｍ_Ｓ＝０」の基底状態に至る状態遷移（経路Ｅ２３）が存在する。そのため、一定時間の緑色レーザーの照射によって、ＮＶ^－を「ｍ_Ｓ＝０」の基底状態に揃えることが可能である。

【0025】

「ｍ_Ｓ＝０」と「ｍ_Ｓ＝±１」の状態間での赤色発光の差（蛍光強度の差）を用いて、ＮＶ^－のスピン状態の観測が可能である。ＮＶ^－に、例えば、マイクロ波を印加し、その周波数を変化させた場合、「ｍ_Ｓ＝０」の状態と「ｍ_Ｓ＝±１」の状態のエネルギー差に対応する周波数（２．８８［ＧＨｚ］）のときに、蛍光強度が減少する。このように、光によって、ＮＶ^－の電子スピン共鳴（ＥＳＲ）を検出可能である（光検出磁気共鳴：Optically Detected Magnetic Resonance、略号でＯＤＭＲ）。

【0026】

これに対して、マイクロ波のパルスによって、電子スピン共鳴を生じさせ（量子ビットの操作）、レーザーパルスによって、スピン状態を観測（量子ビットの読み出し）してもよい。マイクロ波のパルス幅を長くするにつれて、スピン状態が「ｍ_Ｓ＝０」と「ｍ_Ｓ＝＋１」あるいは「ｍ_Ｓ＝－１」状態の間を振動（ラビ振動）する。蛍光強度の変化として、ラビ振動を観測することができる。

【0027】

後述の実験例に示すように、本実施形態の量子素子１０においては、複数の窒素・空孔センターＮＶの内、５０％、更には、６０％、７０％を超える窒素・空孔センターＮＶにおいて、電界を印加しない状態で、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）が観測される。

【0028】

以上のように、量子素子１０を動作させるために、一般に、５００～８００［ｎｍ］の波長域の光の照射や取出しが行われる。このため、封止部１２の材質、膜厚等に所定の制約がある。この詳細は後述する。

【0029】

ダイヤモンド１１は、表面領域Ｆ０において、水素終端化されている。ダイヤモンド中の各炭素原子は、周りの４つの原子と共有結合で結び付いているが、ダイヤモンドの表面では、各炭素原子の結合手が余る。この未結合手は不安定で、表面準位として振る舞う。炭素原子の未結合手は、水素と結合することで、安定化される。このように炭素原子の未結合手が水素と結合された状態は水素終端と呼ばれる。ダイヤモンド１１の表面領域Ｆ０を水素終端化することで、ダイヤモンドの表面準位密度が低減される。そのため、後述する封止部１２の上層にゲート電極を設けることで、ゲート電極に電圧をかけて、電界効果により窒素・空孔センターＮＶの位置におけるフェルミ準位を変化させることができる。そのため、ゲート電極を設けた量子素子１０においては、電界効果を用いて窒素・空孔センターＮＶの電荷制御を容易にすることができる。また、表面準位密度の低減は常磁性欠陥の低減にもつながり、スピンコヒーレンス時間の増大に繋がる。なお、上述したように封止部１２の上層にゲート電極を設ける場合、封止部１２は、ゲート絶縁体として機能する。

【0030】

ここで、水素終端化されている表面領域Ｆ０は、ダイヤモンド１１の全面である必要はなく、その一部で足りる。すなわち、ダイヤモンド１１の表面領域Ｆ０以外の表面領域が他の終端化（例えば、酸素終端化、窒素終端化、フッ素終端化）されていてもよい。

【0031】

封止部１２は、水素終端化された表面領域Ｆ０に密着する層（例えば、薄膜、又は薄片）である。本実施形態において、封止部１２として用いる薄膜は、表面領域Ｆ０上に堆積（一例として、気相成長、液相成長）された層であり、封止部１２として用いる薄片は、固体（一例として、単結晶）を切り欠く（例えば、劈開）ことにより得られた層である。なお、薄膜は、単結晶、多結晶、及びアモルファスの何れであってもよい。また、封止部１２を構成する層の別の一例としては、樹脂を薄く塗布した後に硬化させることによって得られる樹脂層であってもよい。

【0032】

封止部１２は、例えば、ファンデルワールス力により、表面領域Ｆ０に密着、接合する。封止部１２は、水素終端化された表面領域Ｆ０を封止することにより、大気中の水分や、ＣＯ_２や、ＮＯ_２などに代表される酸性ガス等から表面領域Ｆ０を保護する。これにより、表面領域Ｆ０近傍の窒素・空孔センターＮＶが負に帯電したＮＶ^－として安定に存在可能となる。この詳細は後述する。

【0033】

封止部１２を構成する材料は、無機物であってもよいし、有機物であってもよい。無機物の一例としては、金属、グラファイト、及び無機化合物が挙げられる。金属の一例としては、アルミニウムが挙げられる。無機化合物の一例としては、酸化物、窒化物、及び弗化物が挙げられる。窒化物の一例としては、ＢＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮが挙げられる。有機物の一例としては、樹脂が挙げられる。なお、封止部１２を表面領域Ｆ０に形成し、且つ、密着させる方法は、封止部１２を構成する材料に応じて適宜選択することができる。

【0034】

なお、窒化ホウ素の構造体としては、アモルファス構造のアモルファス窒化ホウ素（ａ－ＢＮ）、ｃ軸方向の積層構造の乱れた乱層窒化ホウ素（ｔ－ＢＮ）、立方晶系閃亜鉛鉱型の立方晶窒化ホウ素（ｃ－ＢＮ）、六方晶系グラファイト構造の六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）および六方晶系ウルツ鉱型構造のウルツ鉱窒化ホウ素（ｗ－ＢＮ）が知られている。これらのＢＮの中で、封止部１２としては、封止部１２中及び封止部１２の表面の電荷およびスピンをもつ欠陥を減らす観点から、単結晶が好ましく、六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）がさらにより好ましい。ｈ－ＢＮは、高い熱伝導率（４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を有することから、窒素・空孔センターＮＶを高強度レーザーで励起するときの放熱に寄与する。また、ｈ－ＢＮは、高温下（１０００℃）でも酸化を防ぐコーティング材として働くことが知られている。そのため、封止部１２を構成する材料としてｈ－ＢＮを用いることにより、量子素子１０を高温下で使用する場合であっても、表面領域Ｆ０を保護できる。

【0035】

層状に剥離（劈開）可能であり、薄片を得ることができる材料としては、グラファイト、六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）、ＧａＳ、２Ｈ－ＳｎＳ_２を挙げることができる。これらの材料は、粘着テープなどを用いて劈開させることができるので、劈開により得られた薄片を表面領域Ｆ０に付着させることで、表面領域Ｆ０に密着可能である。

【0036】

また、ダイヤモンド１１とは別の基板上に成長させた窒化物（例えば、ＧａＮ及びＡｌＮ）の薄膜を用いて封止部１２を形成することもできる。

【0037】

薄膜を用いて封止部１２を構成する場合、物理気相成膜（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）法や化学気相成膜（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法等の成膜方法を用いることができる。封止部１２として機能する薄膜の材料としては、例えば、金属、酸化物、窒化物、弗化物が挙げられる。

【0038】

樹脂を用いて封止部１２を構成する場合、例えば、スピンコート等の塗布法を用いることができる。封止部１２を構成する樹脂は、適宜選択することができるが、一例として、フッ素樹脂が挙げられる。

【0039】

ここで、封止部１２は、以下のような特性（１）～（４）を有することが好ましい。
（１）封止部１２は、帯電し難い、特に、負に帯電し難い材料であることが好ましい（非帯電性）。ＮＶ^－の電荷安定性を高めるためである。例えば、封止部１２は、電荷トラップ、または、固定電荷を含まないことが好ましい。
（２）封止部１２は、５００～８００［ｎｍ］の波長域の光の透過性を有することが好ましい（光の透過性）。
（３）封止部１２は、蛍光を発しないことが好ましい（非蛍光性）。封止部１２（封止材料自体）から蛍光が生じると、ダイヤモンド１１からの光を検出する際の背景ノイズとなる。
（４）封止部１２は、常磁性スピンを有しないことが好ましい。封止部１２が常磁性スピンを有すると、ＮＶ^－のスピンコヒーレンス時間が低下する原因となる。

【0040】

劈開によってダングリングボンドを実質的に有しない表面を得ることができるｈ－ＢＮなどの層状構造をもつ材料は、封止部１２の構成材料として好ましい。ダングリングボンドは、電荷トラップとして働き、ＮＶ^－の電荷安定性を低下させる原因や、常磁性スピンによるコヒーレンス時間低下の原因になる。

【0041】

封止部１２が金属の場合、光の透過性を得るために、厚さを十分薄くすることや、誘電体との積層化構造を形成するなどの手法を用いることが好ましい。また、金属は、仕事関数が低いことが好ましい。ＮＶ^－の電荷安定性を高めるためである。

【0042】

封止部１２の厚さは、１［ｎｍ］以上３００［ｎｍ］以下であることが好ましい。ゲート電圧による窒素・空孔センターＮＶの電荷状態の制御性を高めるためである。封止部１２の厚さが、１［ｎｍ］未満の場合、リーク電流が多くなり、３００［ｎｍ］を超えると、十分な静電容量を得ることが困難になる。

【0043】

窒素・空孔センターＮＶからの蛍光の検出のために、５００～８００［ｎｍ］の波長において、ダイヤモンド内部から封止部上方への光の透過率が１％以上あることが好ましく、１０％以上あることがさらに好ましい。例えば、封止部がアルミニウムの場合、屈折率と消衰係数から鑑みて、厚さは２５［ｎｍ］以下であることが好ましく、１０［ｎｍ］以下であることがさらに好ましい。

【0044】

〔量子素子の適用例〕
以下、量子素子１０の適用例につき説明する。

【0045】

＜量子メモリ及び量子演算素子＞
既述のように、窒素・空孔センターＮＶは、量子状態（量子ビット）を保持する。この量子ビットは、窒素・空孔センターＮＶへの光の照射又はマイクロ波パルスの印加等によって操作することができる。このため、量子素子１０は、量子ビットを保持する量子メモリ、または量子ビットを操作する量子演算素子として機能し得る。特に、電子スピンの情報を窒素や炭素の核スピンに転写し、核スピンに量子状態を保持させることによって、保持時間（コヒーレンス時間）を伸ばすことが可能である。

【0046】

ここで、電子スピンと核スピンの間の量子状態の転写を行い、かつ、核スピンのコヒーレンス時間を伸ばすためには、ＮＶ^－状態からＮＶ^＋状態への能動的な切り替えが望まれる。この切り替えを実施するためには、封止部１２を構成する材料として絶縁体を用い、封止部１２の上層にゲート電極を設ければよい。この場合、封止部１２は、ゲート絶縁体として機能する。この構成によれば、ゲート電極に印加する電圧を介して窒素・空孔センターＮＶの位置におけるフェルミ準位を制御することができるので、窒素・空孔センターＮＶの電荷状態を能動的に切り替えることができる。

【0047】

窒素・空孔センターＮＶの深さは、０［ｎｍ］より大きく、１００［ｎｍ］以下であることが好ましく、１［ｎｍ］以上、４０［ｎｍ］以下であることがより好ましい。ゲート電圧による窒素・空孔センターＮＶの電荷状態の制御性を高めつつ、表面欠陥・表面吸着物の影響を受け難くするためである。

【0048】

なお、深さ方向の窒素・空孔センターＮＶの分布は、小さいほうが望ましい。ゲート電圧を印加した際の窒素・空孔センターＮＶの電荷状態のばらつきを少なくするためである。

【0049】

窒素・空孔センターＮＶの面密度ρは、１０^１０［ｃｍ^－２］以下であることが好ましい。それぞれの窒素・空孔センターＮＶにゲート電極を割り当てられることが可能となる。

【0050】

＜量子センサ＞
また、窒素・空孔センターＮＶの量子状態は、近傍の核磁気、磁場、電場、温度、歪、またはｐＨによって変化する。このため、量子素子１０は、核磁気共鳴、磁場、電場、温度、歪、またはｐＨを検出する量子センサとして機能し得る。

【0051】

例えば、封止部１２上に検出対象（微小試料）を配置することで、微小試料をナノスケールの空間分解能で核磁気共鳴（以下、ＮＭＲ）計測することができる。封止部１２を有することで、検出感度が向上する。後述のように、封止部１２を用いることで、ＮＶ^－が安定化され、かつスピンコヒーレンスが向上し、この両者が相まって、核磁気共鳴の検出感度が大きく向上する。

【0052】

窒素・空孔センターＮＶの深さは、０［ｎｍ］より大きく１００［ｎｍ］以下であることが好ましく、１［ｎｍ］から４０［ｎｍ］であることがより好ましい。高い空間分解能と検出感度と、表面欠陥・表面吸着物の影響の低減を両立させるためである。

【0053】

ここで、高い空間分解能と検出感度を得るためには、窒素・空孔センターＮＶをできるだけダイヤモンド１１の表面近くに形成することが好ましい。例えば、核磁気共鳴の検出体積は、検出対象と窒素・空孔センターＮＶの距離の３乗に比例し、対象の核スピンが作る磁場は、検出対象と窒素・空孔センターＮＶの距離の－３／２乗に比例するためである。

【0054】

一方、表面欠陥・表面吸着物の影響を受けにくくするためには、窒素・空孔センターＮＶをダイヤモンド表面深くに形成することが好ましい。また、この範囲内においても、検出対象の体積に合わせた深さを用いることが好ましい。例えば、検出体積を１０００［ｎｍ^３］とするには、窒素・空孔センターＮＶの深さｄを１０［ｎｍ］を中心として分布させることが好ましい。

【0055】

量子センサにおいて、深さ方向の窒素・空孔センターＮＶの分布は、小さいほうが好ましい。検出体積を所望の値に近づけ、かつ、観測結果の解釈を容易にするためである。

【0056】

量子センサが光を用いる場合、窒素・空孔センターＮＶの面密度ρは、１０^１［ｃｍ^－２］以上１０^８［ｃｍ^－２］以下であることが好ましい。この下限は、３ｍｍ角のダイヤモンド１１に、１の窒素・空孔センターＮＶを配置した場合に対応する。面密度ρがこの下限を下回ると、ダイヤモンド１１（ダイヤモンド基板）の浪費となる。上限は、１［μｍ］程度の光のスポット径に多くともひとつの窒素・空孔センターＮＶが含まれるようにして、個々の窒素・空孔センターＮＶのスピン状態を独立して制御・観測するためである。電気的手法を用いる場合には、それぞれの窒素・空孔センターＮＶに電極を割り当てられるように窒素・空孔センターＮＶの面密度ρを調整する。このとき、電極作製用のレジストマスクを使って、窒素・空孔センターＮＶの形成位置を電極下に限定することは有用である。

【0057】

封止部１２の厚さは１［ｎｍ］から５０［ｎｍ］であることが好ましく、３［ｎｍ］から３０［ｎｍ］であることがより好ましい。空間分解能と検出感度を上げつつ、ＮＶ^－の安定性を高めるためである。すなわち、封止部１２が薄くなり過ぎると、封止部１２の表面に負の電荷をもった不純物（後述のアクセプタＡＣ）が吸着し、窒素・空孔センターＮＶの電荷状態を０あるいは＋にする傾向が強くなる。

【0058】

＜磁化イメージング＞
量子素子１０は、薄膜試料や磁性体を含む微小生物の磁化イメージングに用いることも可能である。封止部１２の面上に磁性薄膜試料や磁性体を含む微小生物・生体細胞などを配置することで、量子素子１０内にその磁性体から生じる磁場のイメージングが形成され、これを観測することが可能となる。既述のように、封止部１２によって、磁気感度が向上する。

【0059】

このとき、サブマイクロメートルのイメージング空間分解能を得るためには、表面領域Ｆ０からの窒素・空孔センターＮＶの深さは、０［ｎｍ］から２００［ｎｍ］であることが好ましく、１［ｎｍ］から１００［ｎｍ］であることがより好ましい。高い空間分解能と磁気検出感度を得つつ、表面欠陥・表面吸着物の影響を受けにくくするためである。

【0060】

深さ方向の窒素・空孔センターＮＶの分布は、小さいこと、例えば、深さ方向の分布の半値幅は０［ｎｍ］か５０［ｎｍ］であることが好ましく、０から２０［ｎｍ］であることがより好ましい。観測結果の解釈を容易にするためである。

【0061】

表面領域Ｆ０から見た窒素・空孔センターＮＶの面密度ρは１０^８［ｃｍ^－２］から１０^１３［ｃｍ^－２］であることが好ましく、１０^１１［ｃｍ^－２］から１０^１２［ｃｍ^－２］であることがより好ましい。発光強度の増加によって磁気感度を高めつつ、スピンコヒーレンスの低下によって磁気感度が逆に低下することを防止するためである。

【0062】

以上のように、窒素・空孔センターＮＶの用い方によって、窒素・空孔センターＮＶの適正な面密度ρは、異なる。すなわち、単一の窒素・空孔センターＮＶを用いて、微小試料を核磁気共鳴計測する場合、面密度ρは１０^１から１０^８［ｃｍ^－２］であることが好ましい。一方、多数の窒素・空孔センターＮＶを用いて、磁化イメージングまたは電流分布イメージングを行う場合、面密度ρは１０^８から１０^１３［ｃｍ^－２］であることが好ましい。いずれにしても、表面領域Ｆ０から見て、１０^１［ｃｍ^－２］以上、１０^１３［ｃｍ^－２］以下の面密度ρを有する量子素子によって、種々の計測等を行うことができる。

【0063】

封止部１２がｈ－ＢＮである場合、その厚さは０［ｎｍ］より大きく、５０［ｎｍ］以下であることが好ましく、１０［ｎｍ］から３０［ｎｍ］であることがより好ましい。空間分解能と検出感度を上げつつ、ＮＶ^－の安定性を高めるためである。

【0064】

量子素子１０は、薄膜試料中の電流分布イメージングに用いることも可能である。電流が作る磁場を、上記の磁気イメージングと同様の手法で検出する。封止部１２によって、磁気感度（微小電流の検出）を向上できる。好ましいＮＶの深さ、ｈ－ＢＮの厚さは、磁化イメージングの場合と同様である。この場合、量子素子１０のユーザは、表面領域Ｆ０に設けられた封止部１２の上に観察対象の薄膜試料を成膜すればよい。また、観察対象の薄膜試料自体を封止部１２として利用することも可能である。この場合、観察対象の薄膜試料を表面領域Ｆ０の上に成膜することで、薄膜試料によって、表面領域Ｆ０を封止することができる。

【0065】

＜その他の適用例＞
また、量子素子１０は、窒素・空孔センターＮＶに光や電子線を照射することで、単一光子の発生が可能である。このため、量子素子１０は、単一光子を発生する量子光源として機能し得る。

【0066】

〔製造方法〕
以下、量子素子１０の製造方法を説明する。図３は、量子素子１０の製造方法の一例を表すフロー図である。図５～図７は、製造中の量子素子１０を表す図である。以下、図４～図７に基づき、量子素子１０の製造方法を説明する。以下、量子素子１０の製造方法の詳細を説明する。

【0067】

（１）基板の準備（ステップＳ１１）
基板として、表面が研磨、清浄化されたダイヤモンド１１を準備する。例えば、化学気相合成のダイヤモンド単結晶基板の表面を研磨し、硫酸や硝酸、塩酸など、あるいはその混合溶液中における煮沸酸洗浄およびエタノールやアセトン、イソプロピルアルコールなどによる有機洗浄により清浄化する。

【0068】

（２）基板への窒素イオンの注入（ステップＳ１２）
表面領域Ｆ０を通して、準備された基板（ダイヤモンド１１）の内部に窒素イオンを注入する。具体的には、電圧（加速電圧）によって窒素イオンを加速し、表面領域Ｆ０に照射し、適宜の密度でダイヤモンド１１に注入する。図５に示されるように、窒素イオンがダイヤモンド１１に打ち込まれ、その内部に留まる。窒素イオンは、ダイヤモンド１１の表面領域Ｆ０から内部に注入され、ダイヤモンド１１内を進む。窒素イオンは、ダイヤモンド１１内で衝突を繰り返すことで、エネルギーを失い、停止する。なお、このときに用いる窒素イオンの価数（正負および絶対値）は、適宜に設定することができる。

【0069】

ここでは、判り易さのために、６個の窒素イオンが注入された状態を表す。このとき、窒素イオンの加速電圧によって、注入される窒素イオンの分布（体積密度）が最大値をとる深さＤが規定される。深さＤは、注入される窒素イオンの分布の中心値として観念してもよい。また、表面領域Ｆ０を通してダイヤモンド１１の内部に注入される窒素イオンの面密度ρ［ｃｍ^－２］を、例えば、１０^１２［ｃｍ^－２］以下と適宜に調節する。面密度ρ［ｃｍ^－２］についての詳細は後述する。

【0070】

以上では、窒素イオンを加速して打ち込むことで、ダイヤモンド１１に窒素（窒素イオン）を注入している。これに対して、他の手法を用いて、ダイヤモンド１１に窒素を供給し、窒素・空孔センターＮＶを形成してもよい。この一例として、ダイヤモンド１１の成膜（例えば、化学気相合成）の際に、窒素をドープした層を形成する方法を挙げることができる。なお、このように成膜の際に窒素をドープした場合、窒素の深さ分布は、図１に示される分布とは異なる可能性がある。すなわち、窒素の分布は、成膜のどのタイミングでどれくらい窒素原料を添加したかなどによって決定される。

【0071】

（３）アニールによる窒素・空孔センターＮＶの形成（ステップＳ１３）
窒素イオンが注入された基板（ダイヤモンド１１）をアニールして、基板中の注入窒素から窒素・空孔センターＮＶを形成する。注入された窒素がダイヤモンド１１中の炭素原子の本来の位置に移動し、その隣に原子空孔が移動してくることで表面領域Ｆ０の近傍に窒素・空孔センターＮＶが形成される。

【0072】

ここで、ステップＳ１２、Ｓ１３を併せて、ダイヤモンドの内部に複数の窒素・空孔センターを形成する形成工程と観念することができる。

【0073】

ここでは、判り易さのために、注入された６個の窒素イオンの全てから窒素・空孔センターＮＶが形成したとしている。但し、注入された窒素イオンの一部から窒素・空孔センターＮＶが形成されれば足りる。

【0074】

（４）表面領域Ｆ０の水素終端化（ステップＳ１４）
内部に窒素・空孔センターＮＶを形成した基板（ダイヤモンド１１）の表面領域Ｆ０の少なくとも一部を水素終端化する（水素終端化工程）。
水素終端化には、例えば、ダイヤモンド基板（ダイヤモンド１１）表面への水素ラジカル照射などの手法が用いられる。水素ラジカルは、水素プラズマや水素ガス雰囲気中における熱フィラメントなどを用いた熱分解により生成することができる。また、その化学反応を促進させるため、適宜ダイヤモンド基板を加熱することが好ましい。このとき、水素終端化の条件は、基板表面のエッチングや、基板表面からの水素拡散が実質的に生じない範囲内とすることが好ましい。表面のエッチングや水素拡散は、表面領域Ｆ０の近傍の窒素・空孔センターＮＶの消滅に繋がるからである。

【0075】

（５）表面領域Ｆ０の封止（ステップＳ１５）
水素終端化された表面領域Ｆ０を大気に暴露することなく封止部１２で封止する（封止工程）。この封止の際に、水素終端化された表面領域Ｆ０は、大気に暴露されないことが好ましい。例えば、同一又は連結された真空チェンバ内で、水素終端化と封止とを行う。また、搬送用真空チャンバーを介して、水素終端化されたダイヤモンド１１を不活性ガス（例えば、アルゴン）が充満されたグローブボックス内に搬入し、その中で、封止を行ってもよい。その他に、例えば、水素終端化された表面領域Ｆ０を大気に晒したのちに、真空チャンバー内や不活性ガスで満たされたグローブボックス内で加熱し、大気由来の表面吸着物を脱離させてから、封止部１２で封止することもできる。しかし、大気由来の表面吸着物と水素終端表面の化学反応によって水素終端表面の劣化が生じる可能性があるため、水素終端化された表面領域Ｆ０は封止までの間に大気に暴露されないことがより好ましい。

【0076】

封止には次のように、種々の手法を用いることができる。但し、いずれの手法を用いる場合でも、水素終端化された表面領域Ｆ０が大気に暴露されないように、真空、不活性ガス、水素ガス、及び不活性ガスと水素ガスの混合ガスの雰囲気下のいずれかにおいて、表面領域Ｆ０を封止部１２で封止することが好ましい。

【0077】

（ａ）薄片の接合
封止部１２を構成する薄片を表面領域Ｆ０に付着させることで、表面領域Ｆ０に当該薄片を密着、接合させる。例えば、固体（例えば単結晶）を切り欠く（例えば劈開）することにより当該固体の薄片が得られる。得られた薄片の劈開面を表面領域Ｆ０に付着させることで、表面領域Ｆ０に薄片を密着、接合させる（転写法）。グラファイト、ｈ－ＢＮ、ＧａＳ、２Ｈ－ＳｎＳ_２などを劈開して得られた薄片では、この接合は、薄片と表面領域Ｆ０間のファンデルワールス力で行われ、接着剤等を要しない。

【0078】

例えば、六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）を用いて、次のように、表面領域Ｆ０を封止できる。まず、粘着テープによって、高温高圧合成したｈ－ＢＮ単結晶を劈開する。劈開されたｈ－ＢＮ単結晶は、単結晶薄片として、粘着テープに付着する。次に、このｈ－ＢＮ単結晶薄片を粘着テープからＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シートへと転写する。さらに、ＰＤＭＳシートを表面領域Ｆ０に貼り付け、ＰＤＭＳシートを剥がすことで、ｈ－ＢＮ単結晶薄片をダイヤモンド表面に付着させる。

【0079】

（ｂ）気相成膜
気相成膜法を用いて、封止部１２を構成する薄膜を表面領域Ｆ０に成膜することもできる。気相成膜法の例としては、物理気相成膜（ＰＶＤ）法、及び、化学気相成膜（ＣＶＤ）法が挙げられる。物理気相成膜法の一例としては、真空蒸着法や分子線ビームエピタキシー（molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法が挙げられる。化学気相成膜法の一例としては、原子層堆積（Atomic Layer Deposition： ＡＬＤ）法が挙げられる。

【0080】

物理気相成膜（ＰＶＤ）法、及び、化学気相成膜（ＣＶＤ）法によって、例えば、金属、酸化物、窒化物、及び弗化物を形成することができる。

【0081】

（ｃ）成膜後ガス処理
表面領域Ｆ０上に膜を形成した後に、この膜にガス処理を行い、酸化等してもよい。例えば、金属の成膜後に、酸化させ、酸化層を形成してもよい。

【0082】

（ｄ）液相成膜
液体材料を用いて成膜を行ってもよい。例えば、スピンコートなどの塗布法によって、表面領域Ｆ０上に樹脂（例えば、フッ素樹脂）の層を形成してもよい。

【0083】

（６）素子加工（ステップＳ１６）
必要に応じて、ダイヤモンド１１上に電極等を形成することで、量子素子１０が製造される。

【0084】

〔実施例〕
以下、本発明の実施例を説明する。ここでは、既述のステップＳ１１～Ｓ１６を実行して、図１に示す素子構造（試料）を作成し、作製した基板を評価した。

【0085】

Ａ．試料の作成
基本的には、図３～図７で示した製造方法に基づき、試料を作成した、詳細には以下の通りである。
（１）基板の準備
基板として、化学気相合成ダイヤモンド単結晶基板（エレメントシックス社製、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｇｒａｄｅ；基板の大きさ：４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×０．５ｍｍ）を用い、シンテック社において表面を研磨した。その後、基板を４分割し、熱混酸および有機洗浄により清浄化した。なお、４分割した基板は、裏表の判別容易のため、切り欠けを付与した。

【0086】

（２）窒素イオンの打ち込み
基板に窒素イオンを注入した。具体的には、室温において、加速エネルギー１０［ｋｅＶ］で、注入密度７×１０^１１［ｃｍ^－２］で窒素イオンを注入した。

【0087】

（３）真空アニールによる窒素・空孔センターＮＶの形成
基板を真空アニールして窒素・空孔センターＮＶを形成した。具体的には、窒素イオンを注入した基板を熱混酸で洗浄した後、真空中において、１０００℃で２時間アニールを実施し、窒素・空孔センターＮＶを形成した。その後、再度熱混酸洗浄を行った。

【0088】

（４）表面領域の水素終端化
内部に窒素・空孔センターＮＶが形成された基板を水素終端化した。ここでは、ダイヤモンド成膜用のマイクロ波プラズマ気相合成装置内で、３０分間、ダイヤモンド表面を水素プラズマに暴露することで、ダイヤモンドの表面を水素終端化した。水素の流量は５０［ｓｃｃｍ］、圧力は１０［Ｔｏｒｒ］であった。なお、この条件の水素プラズマ照射によって、ダイヤモンド表面が水素終端化されることは、次のように確認した。すなわち、別のダイヤモンドを用いて、同等の条件でプラズマ処理を行い、大気に暴露した際に表面伝導が生じた。

【0089】

（５）表面領域の封止
水素終端化された表面領域Ｆ０を封止部１２で封止した。ここでは、封止部１２として、ｈ－ＢＮ単結晶を用い、次のように封止を行った。すなわち、アルゴンで満たされたグローブボックス中で、高温高圧合成したｈ－ＢＮ単結晶を粘着テープによって劈開し、劈開したｈ－ＢＮ単結晶薄片をＰＤＭＳシートに転写した。搬送用真空チャンバーを使って、水素終端処理されたダイヤモンドを、大気に晒さずに、このグローブボックス内に搬入した。そして、このダイヤモンド表面に上記ＰＤＭＳシートを貼り合わせることで、ｈ－ＢＮ単結晶薄片をダイヤモンド表面に貼り合わせた。その後、ＰＤＭＳシートを剥がしても、ｈ－ＢＮ単結晶薄片はダイヤモンド表面（表面領域Ｆ０）に付着したまま残る。

【0090】

Ｂ．試料の評価
次のように、作製された試料を評価した。

【0091】

試料の評価としては、（１）蛍光強度マッピング、（２）ＯＤＭＲスペクトル、（３）ラビ振動、（４）ハーンエコーを測定した。

【0092】

（１）蛍光強度マッピングは、蛍光強度の面内分布を表す。ここでは、連続波（ＣＷ）のレーザーによって試料を励起する。なお、このとき、マイクロ波は用いられない。図８～図１０は、蛍光強度マッピングの測定結果を表す。
（２）ＯＤＭＲスペクトルの観測の際は、連続波（ＣＷ）のレーザー、連続波（ＣＷ）のマイクロ波を試料に照射する。図１１は、ＯＤＭＲスペクトルの測定結果を表す。
（３）ラビ振動の観測の際は、試料にパルス化したレーザー、パルス化したマイクロ波を照射する。図１２は、ラビ振動の測定結果を表す。
（４）ハーンエコーの観測の際は、試料にパルス化したレーザー、パルス化したマイクロ波を照射する。図１３は、ハーンエコーの測定結果を表す。

【0093】

（２）測定系および測定方法について
試料の励起用光源として、緑レーザー（波長５３２［ｎｍ］）を用いた。対物レンズ（倍率：５０、ＮＡ：０．９５）を介して、試料に緑レーザーを照射した。音響光学変調器（Acousto Optic Modulator：ＡＯＭ）を用いて、励起用光源からのレーザー光をパルス化した。パルス化したレーザーは、約３［μ秒］のパルス幅、２００［μＷ］の強度であり、ＮＶ^－の初期化及びスピン読み出し用として用いた。

【0094】

試料（ＮＶ^－）からの蛍光は、ロングパスフィルタ（カットオフ波長：６４７［ｎｍ］）にて励起光と分離し、単一光子検出器（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＡＰＤ）を用いて計数した。計数値は蛍光強度とも称する。

【0095】

蛍光強度マッピングは、ダイヤモンド１１の表面にレーザー光の焦点を合わせ、ダイヤモンド１１の表面を２次元的にスキャンしながら蛍光強度を検出することで取得した。

【0096】

ＯＤＭＲスペクトルを計測する場合、マイクロ波源、マイクロ波増幅器、及び試料（ダイヤモンド）近傍に設置されたアンテナを用いる。連続的に周波数を変えたマイクロ波を試料に照射しながらＡＰＤにて計数することで、ＯＤＭＲスペクトルを得ることができる。マイクロ波の周波数がｍ_Ｓ＝０と、ｍ_Ｓ＝－１もしくはｍ_Ｓ＝＋１とのエネルギー差と一致する場合、蛍光強度が下がる。このときのマイクロ波周波数を共鳴周波数と呼ぶ。共鳴周波数のマイクロ波を照射することでＮＶ^－のスピン状態を変化させることができる。

【0097】

ラビ振動は、共鳴周波数のマイクロ波を照射する時間を長くしていきながら蛍光強度をモニタすることで観測することができる。測定方法は、次のとおりである。（１）パルスレーザーでＮＶを初期化する。（２）共鳴周波数のマイクロ波のパルスを照射する。（３）パルスレーザーでＮＶの蛍光強度を計測する。

【0098】

以上（１）～（３）の測定を繰り返し行うが、ラビ振動を観測するためには、マイクロ波の照射時間を少しずつ長く（マイクロ波のパルス幅を長く）していく必要がある。マイクロ波をパルス化するために、マイクロ波源とマイクロ波増幅器の間に高周波スイッチを配し、高速（１［ＧＳ／秒］）でＯＮ／ＯＦＦスイッチングする。ラビ振動は最大値と最小値が一定の周期で繰り返される。位相を１周期分変化させるマイクロ波のパルス幅を２πと呼ぶ。初期化のための約５［μ秒］の５３２［ｎｍ］レーザー照射の後、２［μ秒］の待機時間を経て、試料にマイクロ波パルスを照射する。その後、試料に５３２［ｎｍ］のレーザーを照射しながら、３００［ｎ秒］程度の間蛍光強度を積算することで、スピン状態の読み出しを行った。

【0099】

ハーンエコー（スピンエコーの一種）の測定方法は、次のとおりである。（１）パルスレーザーで初期化する。（２）π／２のパルス幅のマイクロ波を照射する。（３）待ち時間τの間待つ。（４）πのパルス幅のマイクロ波を照射する。（５）待ち時間τの間待つ。（６）パルスレーザーでＮＶの蛍光強度を計測する。以上（１）～（６）の測定を繰り返し行うが、ハーンエコースペクトルを得るためには、待ち時間τを少しずつ長くしていく必要がある。

【0100】

（２）測定結果
図８～図１０は、ダイヤモンド表面近傍の蛍光強度マッピングの結果を表す図である。図１１は、観測されたＯＤＭＲのスペクトルの一例を表すグラフである。図８～図１０中、黒丸、白丸、及び点線の丸の箇所は、ＯＤＭＲの観測を試みた箇所である。この内、黒丸はＯＤＭＲが観測された箇所、白丸はＯＤＭＲが観測なかった箇所、点線の丸は弱いＯＤＭＲが観測された箇所である。この試料は、封止部１２で封止された領域（封止部１２下）、封止部１２で封止されなかった領域（封止部１２外）の双方を有する。これらの領域の境界ＢＬが点線で仮想的に示される。

【0101】

封止部１２で封止されていない領域では、３０箇所中１４箇所（４７％）の発光点においてＯＤＭＲが観測された（うち、３つは、弱いＯＤＭＲ）。これに対し、封止部１２で封止した領域では、３０箇所中２３箇所（７７％）の発光点においてＯＤＭＲが観測された（うち、２つは、弱いＯＤＭＲ）。

【0102】

図１２は、観測されたラビ振動の一例を表すグラフである。図１３は、観測されたハーンエコーの一例を表すグラフである。ＯＤＭＲが観測された箇所では、ラビ振動およびハーンエコーも観測できることをそれぞれ５点について確認した。

【0103】

以上のように、注入密度７×１０^１１［ｃｍ^－２］で窒素イオンを注入したダイヤモンド表面を水素終端化した後、大気に晒すことなく、封止部１２（六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）単結晶薄膜）で封止した。これにより、封止部１２で覆われた領域においては、当該領域に含まれる窒素・空孔センターＮＶのうち７０％を超える窒素・空孔センターＮＶにおいて、ＯＤＭＲ、ラビ振動、及びスピンエコーを観測することができた。このことは、７０％を超える窒素・空孔センターＮＶの状態がＮＶ^－であることを意味する。すなわち、水素終端したダイヤモンド１１の表面領域Ｆ０を封止部１２により封止することで、ＮＶ^－がより安定して存在可能となることが分かった。なお、既述のように、封止部１２で覆われていない領域においては、ＯＤＭＲ、ラビ振動、及びスピンエコーを観測できた窒素・空孔センターＮＶは、４７％であった。

【0104】

（３）考察
以上のように、水素終端ダイヤモンドを封止することで、ＮＶ^－の安定性を向上できることは次のように説明することができる。図１４～図１８は、水素終端化されたダイヤモンドの状態を表す模式図である。ダイヤモンド１１は、窒素・空孔センターＮＶを内部に含み、水素終端化された表面領域F０を有する。図１４、図１５では、ダイヤモンド１１は封止部１２によって封止されていない。

【0105】

図１４に示されるように、ダイヤモンド１１は、水素終端化され、水素終端層ＬＨを有する。ダイヤモンド１１を大気に晒すと、水素終端層ＬＨ上にアクセプタＡＣ（大気由来の負に帯電しやすい不純物）が配置される。負に帯電したアクセプタＡＣの１例は、表面に形成された二酸化炭素などを含み弱酸性の水の層ＬＷの中の、水酸化物イオンや炭酸イオンである。別の１例は、大気中の二酸化窒素に起因する硝酸イオンである。

【0106】

負に帯電したアクセプタＡＣに起因して、ダイヤモンド１１の表面から数［ｎｍ］の深さに正孔ＨＬが生成される。さらに、窒素・空孔センターＮＶも、正に帯電（ＮＶ^＋）あるいは非帯電（ＮＶ^０）状態になり易くなる。

【0107】

図１４、図１５は、ダイヤモンド１１に注入された窒素の密度が異なる。図１４では、１０^８［ｃｍ^－２］、図１４では、１０^１３［ｃｍ^－２］の窒素密度としている。ダイヤモンドの炭素を置換した窒素はＣセンターあるいはＰ１センターと呼ばれ、１．７［ｅＶ]程度の深い準位をもつドナーとして振る舞う。そのため、ダイヤモンド基板中に存在する窒素や、打ち込んだ窒素の濃度が高いほど、窒素・空孔センターＮＶは負に帯電しやすい。

【0108】

図１５では、窒素密度が大きいため、アクセプタＡＣの負の帯電は、正に帯電した窒素ドナーによってキャンセルされる。このため、正孔ＨＬは存在しなくなり、負の窒素・空孔センターＮＶ（ＮＶ^－）が存在可能となる。このように、水素終端化されたダイヤモンド１１は、大気由来の負のアクセプタＡＣが吸着することで、ＮＶ^－が安定的に存在することが困難となるが、窒素の面密度を、例えば、１０^１３［ｃｍ^－２］より大きくすることで、ＮＶ^－が安定して存在可能となる。

【0109】

しかし、窒素の密度を大きくすることは、好ましくない影響を及ぼす。炭素を置換した窒素は帯電していない状態でスピンＳ＝１／２をもつ。このスピンによる局所磁場の変動によって、量子状態を保持可能なスピンコヒーレンス時間Ｔ_２が短くなる。また、窒素の密度を大きくすることは、窒素・空孔センターＮＶの密度を大きくすることに繋がり、個々の窒素・空孔センターＮＶを区別して、量子状態を検出、操作することが困難となる。

【0110】

これに対して、実施例に示されるように、ダイヤモンド１１を封止部１２で封止することで、窒素の注入密度（面密度ρ）が１０^１３［ｃｍ^－２］以下、７×１０^１１［ｃｍ^－２］と比較的小さくても、ＮＶ^－を安定化することが可能であった。

【0111】

図１６～図１８では、ダイヤモンド１１の一部が封止部１２によって封止されている。なお、一部封止としたのは、封止の有無の影響の対比を容易とするためである。図１６，図１７は、注入密度を１０^８［ｃｍ^－２］としている。ここで仮定として、封止部１２で封止されない箇所でのアクセプタＡＣの密度が１０^１２～１０^１３［ｃｍ^－２］であるのに対して、封止部１２で封止された箇所でのアクセプタＡＣの密度が１０^７［ｃｍ^－２］程度であるとする。この場合、図１６に示すように、封止部１２で封止されない箇所ではＮＶ^＋が優位となるが、封止部１２で封止された箇所ではＮＶ^－が優位となり、安定して存在可能と考えられる。

【0112】

しかしながら、今回の実験結果からすれば、図１７に示すように、注入密度１０^８［ｃｍ^－２］程度では、封止部１２で封止された箇所であっても、ＮＶ^＋が優位になると考えられる。

【0113】

図１８は、今回の実験結果に対応し、注入密度７×１０^１１［ｃｍ^－２］の場合に、ＮＶ^－が安定化された状態を表す。すなわち、今回の実験結果からすると、封止部１２で封止された箇所におけるアクセプタＡＣの密度は５×１０^１１［ｃｍ^－２］程度であり、この密度を超える７×１０^１１［ｃｍ^－２］の窒素の注入によって、ＮＶ^－が安定化されたと考えることができる。

【0114】

封止部１２で封止された箇所で５×１０^１１［ｃｍ^－２］程度のアクセプタＡＣが残存するのは、今回の実験で用いた、試料の保持、封止に用いたグローブボックスとそのガス循環精製装置の性能に起因する限界と考えられる。従って、例えば、水素終端化と封止部１２による封止を同一の真空チェンバで行うなど、より確実に大気を遮断可能な環境で処理を行うことで、窒素の注入密度の更なる低減が図れると考えられる。

【0115】

（まとめ）
以下、上記実施形態から把握される発明を示す。

【0116】

本発明の態様１に係る量子素子は、窒素・空孔センターを内部に含み、水素終端化された表面領域を有するダイヤモンドと、前記水素終端化された表面領域を封止する封止部を備える。これにより、水素終端化された表面領域への大気不純物の吸着に起因するアクセプタの発生が防止され、複数の窒素・空孔センターが、負に帯電したＮＶ^－としてより安定して存在可能となる。

【0117】

本発明の態様２に係る量子素子は、態様１において、前記封止部は、前記水素終端化された表面領域に密着または接合する薄膜または薄片である。薄膜または薄片によって、表面領域を封止することができる。

【0118】

本発明の態様３に係る量子素子は、態様１又は２において、前記封止部は、酸化物、窒化物、弗化物、又は樹脂材料から構成される。これらの材料により構成された封止部によって、表面領域を効率的に保護することができる。

【0119】

本発明の態様４に係る量子素子は、態様１又は２において、前記封止部は、金属から構成される。金属によって、表面領域を効率的に保護することができる。

【0120】

本発明の態様５に係る量子素子は、態様１～４において、前記複数の窒素・空孔センターの内、５０％を超える窒素・空孔センターにおいて、電界を印加しない状態で、光検出磁気共鳴が観測される。表面領域を封止したことで、ＮＶ^－が安定化され、光検出磁気共鳴の観測が容易となる。

【0121】

本発明の態様６に係る量子素子は、態様１～５において、前記複数の窒素・空孔センターは、前記表面領域から２００［ｎｍ］以下の深さに配置される。量子素子をセンサとして用いる場合に、サブマイクロメートルのイメージング空間分解能を得ることが容易となる。

【0122】

本発明の態様７に係る量子素子は、態様１～６において、前記複数の窒素・空孔センターは、前記表面領域から見て、１０^１［ｃｍ^－２］以上、１０^１３［ｃｍ^－２］以下の面密度ρを有する。量子素子をセンサとして用いる場合に、個々の窒素・空孔センターＮＶのスピン状態を独立して制御・観測することや磁気感度を確保することが容易となる。

【0123】

本発明の態様８に係る量子素子は、態様１～７において、前記封止部は、３００［ｎｍ］以下の厚さを有する。これにより、封止部を透過する光を用いる量子状態の観測、操作が容易となる。

【0124】

本発明の態様９に係る量子素子は、態様１～８において、前記ダイヤモンドは、前記表面領域から見て、１０^１３［ｃｍ^－２］以下の面密度の窒素原子を内部に含む。窒素密度が少ないことにより、コヒーレンス時間の向上が容易となる。

【0125】

本発明の態様１０に係る量子素子は、態様１～９において、前記量子素子は、核磁気共鳴、磁場、電場、温度、歪、またはｐＨを検出する量子センサ、量子ビットを保持する量子メモリ、量子ビットを操作する量子演算素子、または単一光子を発生する量子光源である。量子素子は、種々のセンサ、メモリ、演算素子、または光源として用いることができる。

【0126】

本発明の態様１１に係る量子素子の製造方法は、ダイヤモンドの内部に窒素・空孔センターを形成する形成工程と、前記複数の窒素・空孔センターが形成されたダイヤモンドの表面領域の少なくとも一部を水素終端化する水素終端化工程と、前記水素終端化された表面領域を封止する封止工程と、を有する。表面領域を封止することで、複数の窒素・空孔センターが、負に帯電したＮＶ^－としてより安定して存在可能となる。

【0127】

本発明の態様１２に係る量子素子の製造方法は、態様１１において、前記封止工程では、前記水素終端化された表面領域は、大気に暴露されることなく、封止される。表面領域を、大気に暴露することなく、封止することで、複数の窒素・空孔センターが、負に帯電したＮＶ^－としてさらに安定して存在可能となる。

【0128】

本発明の態様１３に係る量子素子の製造方法は、態様１１または１２において、前記封止工程は、結晶を劈開することにより得られた薄片を前記表面領域に密着させることで、前記表面領域を前記薄片で封止する工程を有する。薄片を表面領域に密着させることで、表面領域を効果的に封止できる。

【0129】

本発明の態様１４に係る量子素子の製造方法は、態様１１または１２において、前記封止工程は、物理気相成長法、又は化学気相成長法によって、前記表面領域上に薄膜を形成する工程を有する。物理気相成長法、又は化学気相成長法によって、薄膜を形成することで、表面領域を効率的に封止できる。

【0130】

本発明の態様１５に係る量子素子の製造方法は、態様１３又は１４において、前記薄片で封止する工程又は前記薄膜を形成する工程は、真空下、又は、不活性ガス、水素ガス、又は不活性ガスと水素ガスの混合ガスの雰囲気下で、行われる。真空下、又は、不活性ガス等の雰囲気下で封止を行うことで、表面領域への大気成分等の吸着を防止できる。

【0131】

本発明の態様１６に係る量子素子の製造方法は、態様１４において、前記封止工程は、前記形成された薄膜を酸化させる工程を有する。薄膜を形成後に酸化しても、表面領域の封止状態は維持される。

【0132】

本発明の態様１７に係る量子素子の製造方法は、態様１１において、前記封止工程は、前記表面領域に樹脂材料を塗布する工程を有する。樹脂材料を塗布することによって、表面領域を効率的に封止できる。

【0133】

本発明の態様１８に係る量子素子の製造方法は、態様１０～１７おいて、前記形成工程は、前記表面領域を通して前記ダイヤモンドの内部に窒素イオンを打ち込む工程、を有し、前記窒素イオンを打ち込む工程において、前記表面領域を通して前記ダイヤモンドの内部に打ち込まれる窒素イオンの面密度は、１０^１３［ｃｍ^－２］以下である。窒素イオンの面密度を制限することで、個々の窒素・空孔センターＮＶを区別して、量子状態を検出、操作することが容易となる。また、量子状態を保持可能なスピンコヒーレンス時間Ｔ_２が長くなる。

【0134】

本発明の態様１９に係る量子素子の製造方法は、態様１８において、前記窒素・空孔センターを形成する工程で、前記ダイヤモンド中に形成される窒素・空孔センターの面密度は、１０^１３［ｃｍ^－２］以下である。窒素・空孔センターの面密度を制限することで、個々の窒素・空孔センターＮＶを区別して、量子状態を検出、操作することがより容易となる。また、量子状態を保持可能なスピンコヒーレンス時間Ｔ_２が長くなる。

【0135】

本発明の態様２０に係る量子素子の製造方法は、態様１０～１９において、前記製造される量子素子が、態様１から１０のいずれか１項に記載の量子素子である。種々のセンサ、メモリ、演算素子として用いることができる、種々の量子素子を製造できる。

【0136】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0137】

１０ 量子素子
１１ ダイヤモンド
１２ 封止部
ＮＶ 窒素・空孔センター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】