(57)【要約】【課題】磁気共鳴によるスピンの状態の検出により、光学顕微鏡を超える空間分解能で被測定物のスピン分布の立体構造が測定できるようにする。【解決手段】磁場発生部１０１は、静磁場を発生して被測定物１１１に印加する。複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々は、被測定物１１１のスピンに共鳴する振動磁場パルスを、各々異なる箇所から被測定物１１１に照射する。制御部１０３は、複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々から照射される共鳴振動磁場パルスの照射強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御する。磁化検出部１０４は、被測定物１１１の磁化を検出する。処理部１０５は、磁化検出部１０４が検出した磁化の値よりスピンの空間分布を求める。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に磁場を印加する磁場発生部と、
前記被測定物のスピンに共鳴する振動磁場パルスを、各々異なる箇所から前記被測定物に照射する複数の振動磁場パルス照射部と、
前記複数の振動磁場パルス照射部の各々から照射される振動磁場パルスの強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御する制御部と、
前記被測定物の磁化を検出する磁化検出部と、
前記磁化検出部が検出した磁化の値より前記被測定物のスピン密度を求める処理部と
を備えることを特徴とする磁気共鳴観察装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気共鳴観察装置において、
前記磁化検出部は、超伝導量子回路から構成されていることを特徴とする磁気共鳴観察装置。
【請求項３】
請求項１記載の磁気共鳴観察装置において、
前記磁化検出部は、磁束転送コイルおよび超伝導量子回路から構成されていることを特徴とする磁気共鳴観察装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の磁気共鳴観察装置において、
前記超伝導量子回路は、超伝導磁束量子ビットまたは超伝導量子磁束干渉素子であることを特徴とする磁気共鳴観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴を用いて被測定物の内部構造を観測する方法としては、核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）が知られている。ＭＲＩでは、傾斜磁場を用いることで空間的に核スピンの共鳴周波数を変化させて核スピンの空間分布の情報を得ている。ＭＲＩで空間分解能を向上させるためには、まず、狭い領域に大きな傾斜磁場を作り出す必要がある。また、ＭＲＩで空間分解能を向上させるためには、微小領域の核スピンを検出可能な感度が求められる。このため、ＭＲＩにより、数十マイクロメートル以下の空間分解能を実現することは困難であった（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】P. Glover and S. P. Mansfield, "Limits to magnetic resonance microscopy", Reports on Progress in Physics, vol. 65, pp. 1489-1511, 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上に説明したように、従来の磁気共鳴の技術では、光学顕微鏡を超える空間分解能で被測定物の構造を測定することができないという問題があった。
【０００５】
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、磁気共鳴によるスピンの状態の検出により、光学顕微鏡を超える空間分解能で被測定物のスピン分布の立体構造が測定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】
【０００６】
本発明に係る磁気共鳴観察装置は、被測定物に磁場を印加する磁場発生部と、被測定物のスピンに共鳴する振動磁場パルスを、各々異なる箇所から被測定物に照射する複数の振動磁場パルス照射部と、複数の振動磁場パルス照射部の各々から照射される振動磁場パルスの強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御する制御部と、被測定物の磁化を検出する磁化検出部と、磁化検出部が検出した磁化の値より被測定物のスピン密度を求める処理部とを備える。
【０００７】
上記磁気共鳴観察装置において、磁化検出部は、超伝導量子回路から構成されている。
【０００８】
上記磁気共鳴観察装置において、磁化検出部は、磁束転送コイルおよび超伝導量子回路から構成されている。
【０００９】
上記磁気共鳴観察装置において、超伝導量子回路は、超伝導磁束量子ビットまたは超伝導量子磁束干渉素子であればよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、被測定物のスピンに共鳴する振動磁場パルスを、各々異なる箇所から、強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御して被測定物に照射することにより被測定物のスピン状態に空間分布を生じさせ、この被測定物の磁化を検出し、検出した磁化の値よりスピン密度を求めるようにしたので、磁気共鳴によるスピンの状態の検出により、光学顕微鏡を超える空間分解能で被測定物のスピン分布の立体構造が測定できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置の構成を示す構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置の一部構成を示す構成図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置の一部構成を示す構成図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置の一部構成を示す構成図である。
【図２】図２は、被測定物１１１に共鳴振動磁場パルスを照射した場合の被測定物１１１におけるスピンの回転角の振動電流からの距離依存性を説明するための説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置を用いた共鳴振動磁場パルス印加のシーケンスを示す説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施例における磁気共鳴観察装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施例における磁気共鳴観察装置を用いた共鳴振動磁場パルス印加のシーケンスを示す説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施例における磁気共鳴観察装置により検出された磁化が残る領域の分布（ａ），（ｃ）と、測定によって再現されるスピン密度の空間分布ρ（ｂ），（ｄ）を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態における磁気共鳴観察装置ついて図１Ａを参照して説明する。この磁気共鳴観察装置は、磁場発生部１０１、複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ、制御部１０３、磁化検出部１０４、処理部１０５を備える。
【００１３】
磁場発生部１０１は、静磁場を発生して被測定物１１１に印加する。複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々は、被測定物１１１のスピンに共鳴する振動磁場パルス（共鳴振動磁場パルス）を、各々異なる箇所（位置）から被測定物１１１に照射する。制御部１０３は、複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々から照射される共鳴振動磁場パルスの強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御する。
【００１４】
磁化検出部１０４は、被測定物１１１の磁化を検出する。磁化検出部１０４は、例えば、超伝導磁束量子ビットまたは超伝導量子磁束干渉素子（Superconducting Quantum Interference Device；ＳＱＵＩＤ）などの超伝導量子回路から構成されている。処理部１０５は、磁化検出部１０４が検出した磁化の値より被測定物のスピン密度（スピンの空間分布）を求める。
【００１５】
ここで、図１Ｂに示すように、超伝導磁束量子ビット１０４ａは、例えば、超伝導材料からなる閉回路を構成する超伝導配線部と、トンネル絶縁部を備えた図中×で示す３つのジョセフソン接合とから構成されている。超伝導配線部のいずれかの位置に、ジョセフソン接合が設けられている。閉回路を構成する超伝導配線部の内側に、被測定物１１１が配置される。
【００１６】
また、図１Ｃに示すように、ＳＱＵＩＤ１０４ｂは、超伝導材料からなる回路を構成する超伝導配線部と、トンネル絶縁部を備えた図中×で示す２つのジョセフソン接合とから構成されている。回路を構成する超伝導配線部の内側に、被測定物１１１が配置される。
【００１７】
また、磁化検出部１０４は、図１Ｄに示すように、磁束転送コイル１０６および超伝導量子回路１０４ｃから構成してもよい。磁束転送コイル１０６を用いることで、この一方のコイルの内側に配置される被測定物１１１の磁化の大きさを、他方のコイルの内側に配置した超伝導量子回路１０４ｃに送ることができる。この構成とすることで、被測定物１１１を常温（２５℃程度）・常圧（１０１３２５Ｐａ）の雰囲気に配置し、超伝導量子回路１０４ｃを超伝導が発現する低温真空の雰囲気に配置することができる。
【００１８】
以下、本発明の概念について説明する。磁場発生部１０１により磁場を発生させると、被測定物１１１内のスピンのエネルギーは、ゼーマン分裂により分かれる。このスピンに対してゼーマンエネルギーに等しい周波数の振動磁場を与えることによりスピンを回転させることができる（ラビ振動）。この回転角は、スピンの磁気回転比、および共鳴振動磁場パルス照射の強度と時間の積で書き表すことができる。
【００１９】
振動磁場は、振動磁場パルス照射部に流れる振動電流より生じるが、この振動電流からの距離が離れるにつれて弱くなる。このため、ある共鳴振動磁場パルスを照射した場合、図２の（ａ）に示すように、被測定物１１１におけるスピンの回転角は振動磁場パルスを印加するための振動電流からの距離に依存して変化する。
【００２０】
ここで、エネルギー緩和などにより、被測定物１１１のスピン系を基底状態に準備したのちに、共鳴振動磁場パルスを被測定物１１１に繰り返し照射することを考える。スピンの回転角が２πの整数倍であれば、被測定物１１１のスピンは基底状態を保ち続ける。一方、回転角が２πの整数倍からずれると、被測定物１１１のスピンは、パルス照射後に基底状態からずれ、緩和により磁化の大きさが小さくなる。このため、パルス照射を繰り返すと磁化の大きさは０に近づく。
【００２１】
このように空間的に強さの変化する共鳴振動磁場パルスを繰り返し照射すると、スピンの回転角が２πの整数倍の領域には磁化が残り、他の領域の磁化は飽和し０に近づけることができる。
【００２２】
各々異なる振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを用意し、振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々から順番に共鳴振動磁場パルスを照射することを繰り返す。
【００２３】
１つの振動磁場パルス照射部が生成する共鳴振動磁場パルスにより、スピンの回転角が２πの整数倍を満たす領域は空間上のある曲面になる。このため、すべての振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの作り出す共鳴振動磁場パルスによって磁化が飽和しない領域は、３つの曲面の交点になる。簡単のため、２つの振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂを用いた２次元上での例を図２の（ｂ）に示す。振動電流Ａ、振動電流Ｂ、および図示していない振動電流Ｃの各々の大きさやパルス時間を制御部１０３で制御することにより、３つの曲面の交点２０１を空間上の任意の位置に持っていくことができる。なお、振動電流Ａは、振動磁場パルス照射部１０２ａで共鳴振動磁場パルスを生成するための振動電流である。また、振動電流Ｂは、振動磁場パルス照射部１０２ｂで共鳴振動磁場パルスを生成するための振動電流である。また、振動電流Ｃは、振動磁場パルス照射部１０２ｃで共鳴振動磁場パルスを生成するための振動電流である。
【００２４】
上述したように３つの共鳴振動磁場パルスの照射を受ける被測定物１１１の全磁化を測定すると、交点２０１を除く領域の磁化は飽和しているので、得られる磁化の値は交点２０１のスピン密度のみを反映する。したがって、振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの各々における振動電流の強さや与える時間を、制御部１０３で制御することで、磁化の残る領域を任意の位置へ移動させ、被測定物１１１の全磁化を測定することにより、被測定物１１１の３次元のスピン分布を得ることができる。
【００２５】
得られる磁化の測定データとスピンの空間分布の関係の詳細を示す。３つの振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃから、図３に示すパルスシーケンスで、被測定物１１１に対するパルスの照射を繰り返す。被測定物１１１における空間上のある点のスピンは、振動磁場パルス照射部１０２ａからの共鳴振動磁場パルスＡによりｘ軸にθAの回転を受ける。共鳴振動磁場パルスを照射した後、位相緩和Ｄ2とエネルギー緩和Ｄ1を受ける。この後、振動磁場パルス照射部１０２ｂからの共鳴振動磁場パルスＢによりｘ軸からｘ−ｙ面上にφB回転した軸の周りにθBの回転を受け、緩和Ｄ2、Ｄ1を受ける。
【００２６】
ここで、φBは、共鳴振動磁場パルスＡと共鳴振動磁場パルスＢの相対位相である。最後に、振動磁場パルス照射部１０２ｃからの共鳴振動磁場パルスＣによりｘ軸からｘ−ｙ面上にφC回転した軸の周りにθCの回転を受け、緩和Ｄ2、Ｄ1を受ける。φCは、共鳴振動磁場パルスＡと共鳴振動磁場パルスＣの相対位相を表す。この３つの共鳴振動磁場パルスを繰り返し、被測定物１１１に照射し続ける。
【００２７】
このように被測定物１１１に対して３つの共鳴振動磁場パルスを繰り返して照射し続けている時のスピンのブロッホベクトルを考える。まず、ｘ軸周りの回転行列Ｒx、ｚ軸周りの回転行列Ｒz、位相緩和行列Ｄ2は、以下の式（１）のように表すことができる。また、エネルギー緩和によりブロッホベクトルＶは、以下の式（２）で示すように変化する。
【００２８】
【数１】
2019070583.tif 000003
【００２９】
上記式において、Γ1は、エネルギー緩和の大きさであり、Γ2は、位相緩和の大きさである。３つの共鳴振動磁場パルスの照射前のブロッホベクトルＶnと照射後Ｖn+1との関係は、以下の式（３）で示すものとなる。
【００３０】
【数２】
2019070583.tif 000004
【００３１】
ここで、ＭおよびＣが以下の式（４）、式（５）で示されるものとすると、「Ｖn+1＝ＭＶn＋Ｃ」であるから、Ｖnは初期値Ｖ0を用いて式（６）で示されるものとなる。
【００３２】
【数３】
2019070583.tif 000005
【００３３】
Ｍは、有限の緩和があればベクトルのノルムを小さくするので、Ｍ∞は０になる。このため、ブロッホベクトルの定常状態Ｖ∞は、「Ｖ∞＝（Ｉ−Ｍ）-1Ｃ」と書ける。ここで、Ｉは、単位行列である。このＶ∞のｚ成分は、θA、θB、θCの関数であり、それぞれの回転角が２πの整数倍である時に最小値である−１の値をとり、θに対してΓ1とΓ2で決まる半値幅ｗを持つ。
【００３４】
３種類の共鳴振動磁場パルスを用いる場合のｗは、以下の式（７）で表すことができる。
【００３５】
【数４】
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【００３６】
振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃにおける各々の振動電流が空間上に生成する振動磁場の大きさＨj（ｊ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）は、振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの形のみによって決まる関数ｈjと、振動電流の大きさＩjの積で表される。
【００３７】
【数５】
2019070583.tif 000007
【００３８】
スピンの回転角は、磁気回転比γ、共鳴振動磁場パルス照射時間τを用いて「θ＝γＨ（ｘ、ｙ，ｚ）τ」と書けるので、定常状態で観測される被測定物１１１の全磁化の大きさは、スピン密度の空間分布ρ（ｘ，ｙ，ｚ）を用い、以下の式（８）で示されるものとなる。
【００３９】
【数６】
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【００４０】
振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃにおける各々の振動電流の大きさや、共鳴振動磁場パルスの照射時間を変化させて得られた観測値Ｓの３次元情報から、処理部１０５によって、逆問題を解きρを得ることで被測定物１１１の３次元情報を得られる。
【００４１】
特にΓ1、Γ2が十分小さくｗが小さいとき、Ｖ∞は以下の式（９）で近似でき、この式（９）を用いると、式（８）は以下の式（１０）で示すものとなる。ここで、複数の振動磁場パルス照射部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃは、式（１０）におけるヤコビアン行列が０とならないように、各々異なる箇所（例えば方向）から、共鳴振動磁場パルスを被測定物１１１に照射するものとなっていればよい。
【００４２】
【数７】
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【００４３】
特に、測定領域中に、以下の式（１１），式（１２），式（１３）を満たす点が（ｌ＝１，ｍ＝１，ｎ＝１）１点のみの場合、スピンの空間密度は式（１４）となり、観測値Ｓよりρを簡単に求められる。
【００４４】
【数８】
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【００４５】
本発明は、従来技術で用いられた静磁場の磁場勾配を測定対象である微小領域に作る必要がないため、従来法の空間分解能の制限を受けることがなく、より高分解能な測定が可能である。
【００４６】
［実施例］
以下、本発明の簡単な実施例として、磁化検出部にチップ上の超伝導磁束量子ビットを用い、チップ上の２つの共鳴振動磁場照射用のアンテナを用い、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）で被測定試料の電子スピン密度の２次元イメージングを行う例を示す。
【００４７】
図４に示すように、基板上に磁化検出用の超伝導磁束量子ビットと、共鳴磁場照射用の２つのアンテナＡ，Ｂを用意する。被測定試料は，超伝導磁束量子ビット内に配置し、ＥＳＲ用の静磁場はｘ方向に印加する。
【００４８】
なお、この実施例の測定は、超伝導状態が得られる低温真空下で行う。超伝導磁束量子ビットの配線を構成する超伝導としてアルミニウムを用いた場合、雰囲気の温度は０．１Ｋ以下とすることが望ましく、真空度は試料から超伝導体に熱が伝わらない程度とされていることが望ましい。
【００４９】
また、被測定試料（被測定物）は、核スピンや電子スピンを持てば良い。換言すると、核または電子の磁気共鳴さえあれば、有機・無機物質やタンパク質や、生体構成物質などの試料であっても測定可能である。また、検出可能な領域は、磁化検出部の大きさなどに依存し、磁化検出部として超伝導量子回路を用いた場合、数十μｍ四方の領域になる。
【００５０】
アンテナＡ、Ｂに共鳴振動電流ＩA、ＩBを流すと，座標（ｘ，ｙ）における試料面のｚ軸方向の振動磁場ＨAは、以下の式（１５）で示され、振動磁場ＨBは、以下の式（１６）で示されるものとなる。
【００５１】
【数９】
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【００５２】
ここでμ0は，真空の透磁率、ｒ1、ｒ2は，アンテナＡ，Ｂから試料中心までの距離である（図４参照）。
【００５３】
【数１０】
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【００５４】
半値幅は、エネルギー緩和Γ1と位相緩和Γ2とで決まり、以下の式（１７）で示されるものとなる。また、観測される磁化の大きさと電子スピン密度の２次元分布の関係は、以下の式（１８）で示されるものとなる。
【００５５】
【数１１】
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【００５６】
これを用い、磁化検出部１０４で観測（検出）される磁化Ｓから、処理部１０５によってρを再現する。磁化の検出には、超伝導磁束量子ビットを用いる。超伝導磁束量子ビットは、ｚ軸方向の磁化しか検出できない。このため、例えば、照射した共鳴振動磁場パルスがπ／２パルスとなり磁化がｘ軸からπ／２回転しｚ軸方向を向いた際に超伝導磁束量子ビットを励起させて磁化を検出すればよい。また、被測定磁化の歳差運動と超伝導磁束量子ビットのラビ振動を同期させることにより、磁化の大きさを検出するようにしてもよい。
【００５７】
Γ1＝０．０１、Γ2＝０．１の場合、共鳴振動磁場パルスの照射によって磁化が残る領域は、図６の（ａ）に示す状態となり、この条件で再現されたスピン密度の空間分布ρは、図６の（ｂ）に示すものとなる。
【００５８】
また、Γ1＝１．０×１０-5、Γ2＝０．１の場合、共鳴振動磁場パルスの照射によって磁化が残る領域は、図６の（ｃ）で示す状態となり、より狭い領域のスピンを見ることができる。この条件で再現されたスピン密度の空間分布ρは、図６の（ｄ）に示すものとなる。超伝導磁束量子ビットの大きさは数μｍから１０μｍ程度であり、図６の（ｄ）に示すスピン密度の空間分布は、超伝導磁束量子ビット内のイメージであり、本発明により原理的に０．１μｍ程度の空間分解能でスピンの空間分布の測定が可能となることが分かる。
【００５９】
なお、制御部１０３、処理部１０５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）と主記憶装置と外部記憶装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作することで、上述した機能が実現される。
【００６０】
以上に説明したように、本発明によれば、被測定物のスピンに共鳴する振動磁場パルスを、各々異なる箇所から、強度または照射時間の少なくとも一方を各々制御して被測定物に照射することでスピン状態の空間分布を生じさせ、この被測定物の磁化を検出し、検出した磁化の値よりスピン密度を求めるようにしたので、磁気共鳴によるスピンの状態の検出により、光学顕微鏡を超える空間分解能で被測定物の構造（内部構造）が測定できるようになる。
【００６１】
ところで、カンチレバーを用いて磁気共鳴信号を高精度に検出するＭＲＦＭ（Magnetic resonance force microscopy）では、傾斜磁場を用いず、高周波コイルからスピン励起のための交流磁界を試料に印加し、先端に磁気探針の付いたカンチレバーを走査してカンチレバーに生じる微小な力を検出することで、１０ｎｍ以下の分解能を実現している。しかしながら、ＭＲＦＭでは、カンチレバーの走査が必要となり、装置の構成が複雑となる。これに対し、本発明によれば、カンチレバーなどの走査部は必要ないため、装置の構成が簡略化できる。
【００６２】
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】
【００６３】
１０１…磁場発生部、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ…振動磁場パルス照射部、１０３…制御部、１０４…磁化検出部、１０５…処理部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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