2023 OCTOBER
国立研究開発法人

量子科学技術研究開発機構

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第 66 号

高崎研だより役立つ科学

My favorite

群馬の魅力

日本 世界見聞録
研究装置紹介

Oct.

シリコン空孔量子センサの磁場 ・ 温度同時測定

中世と現代の美の融合 オルレアン

誘導結合プラズマ発光分光分析装置

高崎研だより問い合わせ先 ： 量子技術基盤研究部門 高崎量子応用研究所 (TEL)027-346-9232
e-mail ： taka-soumu@qst.go.jp ホームページ ： https://www.qst.go.jp/site/taka
高崎研

役立つ科学

シリコン空孔量子センサの磁場 ・ 温度同時測定
量子機能創製研究センター 田中 友晃

Q

1. シリコン空孔量子センサとは、 どのようなものですか？

シリコン空孔量子センサとは、シリコンカーバイド（SiC）という物質中にできたシリコン空孔（シリコンが抜けた欠陥）をセンサとして利用する技術のことです。この欠陥（スピン欠陥と呼ぶ）は、不思議なことに光を吸収すると（励起状態になると）、ある時間を経過後光（蛍光）を放出しますが、この発光の強度が最大になる条件は、周りの磁場や温度などの影響を受けて変化します。この変化を読み取って、磁場や温度センサとして利用します。

Q伝導帯
発光
励起
蛍光
価電子帯

基底状態の電子蛍光発光のメカニズム

2. どのようにして、 磁場を計測するのでしょうか？
±32±12

レー励起状態の電子光励起状態 (ES)

弱強発光
ザー

準安定状態

±12±32基底状態 (GS)Si スピン欠陥の蛍光発光
メカニズム

シリコン空孔を用いた磁場センシングには、レーザーと高周波を使用します。まず、レーザーを欠陥に当てると、左図のように基底状態の電子が励起状態へと移動し、その後基底状態に戻ります。基底状態に戻る際、①直接戻る、②準安定状態を経由して戻る、の２パターンが存在しますが、①のときのみ発光します。少々難しい話になりますが、シリコン空孔は、基底・励起状態それぞれにスピン ±1/2 と ±3/2 の状態をとることができ、前者の方が①の発光の割合が多くなります。
±32励起状態 (ES)次に、レーザーを当て続けて発光している状態で、エネルギー（周波数）±12
発光を変えながら高周波を当てると、右図に示す「ΔGS」に相当する 70 MHz レーザーを当てたときに、±1/2 のスピンの割合が多くなり（共鳴し）、それに伴±12ΔGS
基底状態 (GS)±3い発光強度が増加します。この結果は磁場ゼロの場合ですが、磁場が存2在する場合は下図（a）に示すように、±1/2 と ±3/2 のスピンエネルギー Si スピン欠陥の基底状態共鳴1 つであった「ΔGS」 と蛍光発光（b） が分裂し、（a）ΔGS= 70 MHz
1Δb1Δb2+が 2 つになり、またそのエネルギーギャップは磁場の大2Δb13+Δa12
きさによって変わります。この特徴を逆手に取り、高周Δa2Δa1
Δｰ 12波の周波数を変化させながら発光強度を測定することで、
Δa2Δb2Δ磁場の値を得ることができます。例えば、左図（b）のよｰ 32ab20406080 100 120 1400
うに、共鳴周波数がΔb1 とΔb2 であったとき、左図（a）
磁場の強さ
周波数 (MHz)
発光強度

70 MHz

20 40 60 80 100 120 140

GS

磁場の強さ

GS

発光強度

エネルギー（MHz）

周波数 (MHz)Si スピン欠陥のスピンエネルギー磁場依存性

Qから磁場の強さは、b であることが分かります。

3. 温度は、 どのようにして計測するのですか？

エネルギー準位差の変化 (MHz)

ゼロ磁場における磁場の計測同様、レーザーと高周波を用いて発光強度の変化を測定します。ただし、温度計測の場合は、シリコン空孔周辺の温度変化によりスピンの分裂（±1/2 及び ±3/2 の分裂）は起こらない
ため、スピン間のエネルギーギャップ（±1/2 と ±3/2 のエネルギー差）の大きさの変化を利用します。この変化は、右図（c）に示すように、基底状態（d）（c）
1200±3励起状態 (ES)
21000
ΔES
では観察されないため、励起状態で周波数を変えな励起状態 (ES)
±1800
2
発光600
がら高周波を当てます。具体的には、右図（d）のよレー400
ザー
基底状態 (GS)うに、「ΔES」で共鳴すると ±1/2 のスピンが減少し、200±102

基底状態 (GS)
0 50 100 150 200 250 300 350±3/2 のスピンが増加します。つまり、磁場計測とは±32
温度 (K)異なり、発光強度の減少から温度の情報を得ることSi スピン欠陥エネルギーギャップの温度依存性ができます。と励起状態共鳴
磁場・温度の同時計測は、基底状態の共鳴から磁場情報を、励起状態の共鳴から温度の情報を取り出すことで可能となります。
インタビュアー（広報事務局）

群馬の魅力My favorite

雄大な景色と美しい自然。山頂からの眺望と登頂による達成感は最高のひと時です！この感動と心の癒しが、今の自分には必要だと感じています。
私の場合、登山と言っても気軽に登れる低山登山ですが、それでも十分満足しています。昔は娘達から「登山って何が楽しいの？」と聞かれましたが、今では山頂からの写真を送ると「きれいな景色！」、「今日も健康なママで嬉しい」と返してくれます。
「一緒に登りたい」という返事はありませんが、もう少し大人になって山の魅力に気付いたとき、一緒に登れたらいいなぁと思っています。
群馬県は豊かな自然に囲まれ、草木の緑と季節の花々、高山植物が豊富にあります。私のお気に入りは、尾瀬や野反湖に咲くニッコウキスゲ

稲含山山頂からの眺望ですが、これから秋は紅葉が見ごろを迎えます。そして、群馬県は言わずと知れた日本を代表する温泉王国です。高崎に越してきて４年半。こんなに近くにたくさんの温泉地があるのですから、堪能しない手はありません。楽しまなくちゃ！と想い、あちこち出かけています。
趣味の登山の後は温泉宿で汗を流し、美味しいお料理とお酒を味わい、非日常を楽しむ、そんな休日に心から癒されています。今度はどこの山に登って、どこの温泉に入ろうかな・・・そして、まだ知らないご当地
野反湖を望むニッコウキスゲ
グルメを探して、旅を楽しめたら幸せです。
生まれも育ちも群馬の方には魅力不足と感じるかもしれませんが、私は今、群馬を堪能中です。
みさの （ペンネーム）

日本 世界見聞録

中世と現代の美の融合 オルレアン

2023 年 7 月、フランスはオルレアンで行われた陽電子ビーム技術国際会議に参加しました。オルレアンは、パリから南へ約 100 km、中世の街並みが美しい、雰囲気の良いフランスの地方都市です。
日本の旅行ガイドブックにはほぼ載っていませんが、パリから在来線快速で約１時間と、なんとなく高崎に似ています。
オルレアンは紀元前から存在する古い街で、中世にはロワール川を使った貿易で栄え、また地理的重要性から度々歴史にも登場します。特に有名なのは、フランスとイングランドの 100 年戦争における 1429 年のオルレアン包囲戦で敗戦寸前だったフランスを救ったジャンヌ・ダルクです。この戦いがその後のフランスの繫栄につながっていくということで、街はジャンヌ・ダルク推しです。街の中心広場には大きな銅像がサン・クロワ大聖堂を望む
オルレアンの街並みある他、街のあちこちでオブジェやプレートに出会います。
石畳の街並みは美しく、どこを切り取っても絵になります。一方で、駅舎はスタイリッシュでさすがアートの国だと思わずにはいられません。ロワール川沿いにはきれいに整備された繁華街が広がり、街角のオープンカフェでは、夜遅くまでたくさんの人が食事を楽しんでいました。治安が悪い感じはなく、のどかな雰囲気も高崎に似ています。
オルレアンは最高気温 30℃程度で、朝は肌寒く上着が必要なほどでしたが、帰国後は連日 40℃の天気に悶絶する日々・・・。気温もオルスタイリッシュなオルレアン駅 レアンに似てくれたら良いのに・・・。
前川雅樹 （先進ビーム利用施設部）

研究装置紹介

誘導結合プラズマ発光分光分析装置
先端機能材料研究部 佐伯 盛久【原理と特徴】
誘導結合プラズマ発光分光分析装置では、プラズマ（Inductively Coupled Plasma: ICP）内に溶液試料を導入し、その試料に含まれる元素からの発光を分光器で分析することにより、元素の種類や濃度の情報を得ることができます。元素の検出には、元素発光分光法（Atomic Emission Spectroscopy:AES）を利用することから、本装置は ICP-AES と呼ばれます。
電子励起された元素原子・イオン
発光 分光器で元素分析を行うときは、まず、高周波電圧をかけた誘導コイル内にプアルゴン
分析
プラズマ
ラズマトーチの内周部を通してアルゴンガスを導入し、コイル内の電界誘導コイルを利用してアルゴンプラズマを点火します。このプラズマは、誘導コイ
プラズマガスプラズマ（アルゴンなど）
トーチ
ルに近いほど濃度が高く、中央部では濃度が薄い、ドーナツ形状をしています。この中央部に、プラズマトーチの中心部を通してネブライザー
霧化した試料
ネブライザーにより霧状にした試料を導入することにより、アルゴンプラズマと気化 試料溶液キャリアガス（アルゴンなど）した試料を相互作用させて、高エネルギー状態に励起した対象元素の原
ICP-AES の試料導入部
子・イオンを生成します。
励起された元素原子・イオンは、余分なエネルギーを持っているので、光を放出すること（発光）により安定状態に戻ります。放出される光のエネルギーは元素に固有であるため、発光スペクトルを分光器で測定することにより、どの元素が試料に含まれているか帰属できます。
また、発光スペクトルの強度は元素濃度に比例するので、対象元素について濃度が分かっている水溶液を使って、あらかじめ元素濃度と発光強度の関係を調べることにより、試料濃度を決定できます。
なお、ICP-AES は、希ガスや一部の軽元素（水素、酸素、窒素）を除くほとんどの元素を検出でき、また 10 ppb 〜 10 ppm の濃度領域での定量測定に適しています。
【実際の分析例】
貴金属イオン水溶液にエタノールを添加し、紫外光を照射すると、貴金属イオンが還元されて、自発的に微量子を形成するので、ろ過などで回収することができます。
紫外光（a）を求めます。さらに、紫外光を照射して微粒子を生成・回収し、再び発光強度を測定して溶液中の Rh3+ 濃度（b）を求めます。
（a-b）
濃度を計算することにより、この方法により回収した微粒子中に含まれる Rh の量を知ることができます。

Rh3+イオン

還元・微粒子化

回収3相対発光強度

この原理を利用して工場廃液から貴金属を回収する研究においても、ICP-AES が役立ちます。例えば、濃度の異なるロジウムイオン
Rh3+ 標準液からの発光（343.5 nm）を測定して、濃度と発光強度の関係をプロットすると、右図のような直線関係が得られます。次に、
Rh3+ 濃度未知の溶液の発光強度を測定し、この関係から Rh3+ 濃度＋2＋1＋

微粒子化前
微粒子回収後

＋0b 1

2

a

Rh3+ イオン濃度 /ppm

3

微粒子化した貴金属イオン
回収前後の濃度

メッセージ
先日、民放の教養バラエティー番組で高崎研の「量子センサー」の研究が取り上げられました。タレントさんが高崎研に来られ高崎研研究者とのやり取りを通して、施設や研究内容についてご説明いただきました。特に、量子センサーの将来の利用例として、「ペットとの意思疎通」、「充電不要のスマホ」、「がん治療」などを分かりやすく紹介していただきました。今後の広報活動では、今回の経験を活かし、一般の方々が理解できる分かりやすい情報発信を心掛けてまいります。（高崎量子応用研究所長前川康成）

巷では週休３日制の導入を検討している企業もあると聞きますが、一週間の総労働時間は変わらなかったり、給与が減少したりすることもあるようです。この制度を導入する前に、祝祭日が土曜日と重なったときは、月曜日を振替休日にしていただけないでしょうか！