研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

岩﨑 孝之

東京工業大学 工学院准教授

ダイヤモンド中のスズ‒ 空孔中心を用いた量子光源の研究
量子ネットワークに向けた新しい固体量子光源の創出

研究の背景

（SiV）
中心、さらに我々が発見したゲルマニ

功したが、スピンコヒーレンス時間は1 μs以

ウム‑ 空孔（GeV）
中心に限られていた【1】。

下に留まっている【4】。Mikhail Lukin教授

量子ネットワークは、量子状態を送受信

NV中心に対し、IV族元素からなるSiVおよ

グループでは、SiV中心を400 mK以下まですることで安全な通信を実現する情報ネット

びGeV中心は鋭いZPLを有し、全発光に対冷却することでミリ秒の長スピンコヒーレンワークである。量子中継を利用した長距離するZPLの割合が数十%におよぶ【2】。
しかス時間を達成した【5】。
しかしながら、この方量子状態伝送などその機能をより高度なもしながら、これらIV族発光中心は、量子状態法は大型の希釈冷凍機が必要となってしまのに拡張することが期待され、世界中で活を保存するスピンコヒーレンス時間が冷却う。上記の手法はSiV中心の特性を制御し発に研究が行われている。固体物質中に形温度2 Kにおいてもマイクロ秒以下に制限ていたが、本研究では異なるアプローチを取成される量子光源は、このような量子ネットされていた。IV族発光中心のスピンコヒーレ

り、フォノン吸収を抑制できる大きな基底状ワークにおいて必要となる発光源や量子中ンス時間を制限しているのは、基底状態分態分裂幅を有するSnV中心を形成した。Si継構築のための有望な系として期待されて裂間でのフォノン吸収である。本研究では、よりも重いGeを用いたGeV中心の創出【1】いる。
しかしながら、量子ネットワーク応用にこの問題を解決するために、重いIV族元素も重要な成果のひとつであるが、さらにスピ必要な優れた光学特性およびスピン特性をであるスズに着目することでダイヤモンド中ン‒ 軌道相互作用を増加させるためにGeよ両立する系は見出されていなかった。
これまの新しい量子光源であるスズ‒ 空孔（SnV）

りも重いSnを用いた（図1（a））。SnV中心はで最も研究されている系のひとつであるダイ中心を創出した【3】。

波長619 nmにシャープなZPLを示し、全発ヤモンド中の窒素 ‒ 空孔
（NV）
中心は、大きなフォノンサイドバンドを有しており、量子光光において大きな割合を占めていることを観研究の成果測した（図1（b））。第一原理計算により、Sn割合が4%のみで発光強度が小さいという基底状態でのフォノンの影響を抑制し、２つの空孔に挟まれたD3d対称性を取ること問題があった。ワイドギャップ半導体である

長いスピンコヒーレンス時間を達成するためを明らかにした（図1（c））。
この構造は、反転

ダイヤモンドは、そのギャップ中に多数の発に、ハーバード大学を中心とするグループで対称性により外部ノイズに強く安定した発光中心のエネルギーレベルを形成することは以下のように研究を推進していた。Marco光波長を示すという特長を有している。

ができる。
しかし、再現性良く形成できる不純

Loncar教授グループでは、ナノ加工構造に

ダイヤモンドは非常に密に炭素原子が物で単一光子放出を示す光源は、主に古よるストレインエンジニアリングによってSiV配列している結晶であり、導入される不純くから知られているNV中心とシリコン‒ 空孔

中心のスピンコヒーレンス時間の伸長に成物にとっては結晶中を拡散しづらい環境源として利用できるゼロフォノン線（ZPL）の

図1 （ a ）IV族元素の周期律表（b）
ダイヤモンド中のIV族発光中心とNV中心の室温発光スペクトル原子が格子間位置に存在し、炭素位置の（c）
SnV中心の原子レベル構造の模式図

丸文研究奨励賞 受賞者

図2 高温高圧アニールによる高品質SnV中心の形成イト化を防ぎ、かつ2000℃を超える高温でアニールするために高圧下において処理将来の展望を行った。温度が上昇するにしたがって、光の量子性を用いる量子情報ネットワー

SnV中心からのZPLの線幅が細くなり、高クでは、別々の量子光源から発せられる光品質化していることを確認した。導入するが同一の特性を有している区別できない状スズの量を制御することで、量子光源とし態である必要がある。本研究で開発した高て機能する単一SnV中心の形成も実現し温高圧アニール技術による高品質SnV中た。
さらに、発光励起分光による共鳴励起心の区別できない光子生成の確認や、さら計測において、本手法で形成したSnV量にこれまで開発してきた電子デバイス【7, 8】な

子光源は物理的な限界であるフーリエ限どを用いた光学特性のアクティブ制御に取界線幅を有する高品質なものであることをり組む。
これら技術により、異なる量子光源確認した【6】。

からの光子を用いた量子干渉計測を実施となる。特に本研究で使用したスズは周微細構造の観察による基底状態分裂する。
さらに、SnV中心の長いスピンコヒー期律表で炭素よりも3行下に位置する重幅の決定をもとにSnV中心のスピン特性のレンス時間の実証を通して量子ネットワーク応用へ向けた研究を推進する。

い元素であり、高品質な発光中心を形成評価を行った。低温での発光スペクトルのすることは困難であると予想された。実際、観察から、SnV中心の基底状態分裂幅はイオン注入後のアニールを、通常発光中850 GHzであり、SiVおよびGeV中心よりも心を形成するために使用する800℃程度圧倒的に大きいことを明らかにした（図3）。

本研究は多くの方々のご支援およびご協謝辞で行ったところ明確なスペクトルが現れなこの大きな基底状態分裂幅から、SnV中心力を頂きながら得られた成果です。東京工業

かった（図2）。そこで、本研究では、高品質においてはフォノン吸収が大幅に抑制され、大学の波多野睦子教授、物質・材料研究

なSnV中心を形成するために新しい形成ミリケルビン温度まで冷却することなく、ケル機構の谷口尚博士、産業技術総合研究所手法を実施した。7.7 GPaの高圧下におビン領域において長いスピンコヒーレンス時の宮本良之博士、京都大学の水落憲和教

いて2100℃という高温でアニールする方間が期待できることを示した
（図3）
。以上よ

授、ウルム大学のFedor Jelezko教授、ザー法である。炭素からなる固体物質では、大り、SnV中心はこれまでの問題を解決できる

ルラント大学のChristoph Becher教授をは気圧において最も安定な材料はグラファ

優れた量子光源となる可能性を有している

じめ、本研究の推進にご協力頂いた皆様にイトである。よって、ダイヤモンドのグラファことを明らかにした。

この場を借りて心から御礼申し上げます。

図3（a）
SnV中心のエネルギーレベル（b）
IV族発光中心のスピンコヒーレンスを支配する基底状態でのフォノン吸収レート（温度2 K）

References（参考文献）【1】T. Iwasaki F. Ishibashi, Y. Miyamoto, Y. Doi, S. Kobayashi, T. Miyazaki, K. Tahara, K. D. Jahnke, L. J. Rogers,
B. Naydenov, F. Jelezko, S. Yamasaki, S. Nagamachi, T. Inubushi, N. Mizuochi, M. Hatano, Sci. Rep. 5, 12882, 2015.
【2】T. Iwasaki, Semiconductors and Semimetals, 103, 237, 2020. Chapter Eight in Diamond for Quantum Applications Part 1.
【3】T. Iwasaki, Y. Miyamoto, T. Taniguchi, P. Siyushev, M. H. Metsch, F. Jelezko, M. Hatano, Phys. Rev. Lett. 119, 253601, 2017.
【4】Y. Sohn, S. Meesala, B. Pingault, H. A. Atikian, J. Holzgrafe, M. Guendogan, C. Stavrakas, M. J. Stanley, A. Sipahigil,
J. Choi, M. Zhang, J. L. Pacheco, J. Abraham, E. Bielejec, M. D. Lukin, M. Atatuere, M. Loncar, Nat. Comm. 9, 2012, 2018.
【5】D. D. Sukachev, A. Sipahigil, C. T. Nguyen, M. K. Bhaskar, R. E. Evans, F. Jelezko, M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 119, 223602, 2017.
【6】J. Goerlitz, D. Herrmann, G. Thiering, P. Fuchs, M. Gandil, T. Iwasaki, T. Taniguchi, M. Kieschnick, J. Meijer, M. Hatano,
A. Gali, C. Becher, New J. Phys. 22, 013048, 2020.
【7】T. Iwasaki, W. Naruki, K. Tahara, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, D. Takeuchi, S. Yamasaki, M. Hatano, ACS Nano, 11, 1238, 2017.
【8】B. Yang, T. Murooka, K. Mizuno, K. Kim, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, S. Yamasaki, M. E. Schmidt, H. Mizuta, A. Yacoby,
M. Hatano, and T. Iwasaki, Phys. Rev. Applied 14, 044049, 2020.