2023 april
国立研究開発法人

量子科学技術研究開発機構 （量研）

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高崎研だより特集 !

Apr.

量子機能創製研究センター目黒ラボ【概要 & 組織】量子機能創製研究センターと目黒ラボ【研究紹介】

量子材料理論研究【研究装置紹介】 ロングレイリー長共焦点顕微鏡

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

量子機能創製研究センターと目黒ラボ

量子機能創製研究センター長

大島武

【概要】

量子機能創製研究センターは、「超スマート社会（Society 5.0）」実現のキーテクノロジーとなる量子科学技術の研究を加速するため、2022 年 4 月 1 日に高崎量子応用研究所に発足しました。センターでは、産学官の密接な連携のもと量子材料・機能創製などの基礎研究からデバイス応用までを視野に入れた幅広い研究を推進しています。加えて、国の量子技術イノベーション拠点のひとつである「量子機能創製拠点」の中核として、量子科学を広く使える新の技術とするための活動を行っています。
目黒ラボは、センターの分室ということで東京工業大学大岡山キャンパスに設置され、量子センシングプロジェクトの一部と量子材料理論プロジェク 量子機能創製研究センター長大島武トが所属し、理論及び実験の両面から研究を展開しています。

【組織】

量子機能創製研究センターには「量子センシング」「二次元物質スピンフォトニクス」「レーザー冷却イオン」「光スピン量子制御」「量子材料理論」「希土類量子デバイス」「量子材料超微細加工」の 7つのプロジェクトが所属し、スピンやフォトンとイオンや電子ビームを駆使してダイヤモンドや炭化ケ
量子センシング
イ素などの半導体中にスピン欠陥を形成して、超高感プロジェクト度な磁場や温度センサーに応用する研究を推進いった量子を巧みに操り、更にはそれらの二次元スピン 光と電子の情報の相互変換を可能とする量子材料や光によ相互作用を活用することで世界を先導フォトニクス り動作するスピンデバイス研究など、現在のエレクトロニプロジェクト クスに代わる” スピンフォトニクス” の基礎研究を推進するユニークな研究を実施して量子コンピュータ等の開発を目指し、単一イオンの材料レーザー冷却イオン 注入を可能とするレーザー冷却とイオントラップによるいます。
プロジェクト 超精密イオン注入技術の研究を推進
現在の電子機器がエレク
半導体量子構造や複合欠陥のスピン状態を高度に制御量子機能創製
光スピンし、半導体集積化技術やフォトニクス（光）技術との量子制御
トロニクスという電子のプロジェクト 融合を見据えた研究を推進
研究センター
持つ電気（電荷）という実験によらない理論計算により新規量子材料の探索
量子材料理論や量子デバイス中の電子状態解析などの研究・開発
プロジェクトを推進性質を利用して動作している窒化物などの半導体に注入した希土類元素を量子ビッ希土類のに対し、量子技術では電子の量子デバイス トや単一光子源として制御する量子デバイスの開発に
プロジェクト より、新たな量子センシング手法等の確立を推進
持つもう一つの性質であるスピン既存の樹脂に代わるメタルレジストや新規反応によるレ量子材料
超微細加工 ジスト材料の開発、超高性能半導体を目指した超微細の（磁石のような性質）や電子に代わって光（フォプロジェクト リソグラフィ技術・3D 素子造形技術の開発を推進
トン）を利用するため、スピンやフォトンの性質量子機能創製研究センターの組織を最大限に引き出すことが重要となります。
量子センシングプロジェクトは、Q-LEAP と呼ばれる国の研究開発プロジェクトに参画しており、目黒ラボでは、Q-LEAP の研究代表者の東京工業大学・波多野陸子教授と共同で、ダイヤモンド中のNV センターと呼ばれる窒素と空孔（ダイヤモンドの構成元素である炭素が抜けた穴）や炭化ケイ素（SiC）中のシリコン空孔 (SiC 中の Si が抜けた穴 ) を用いた量子センシングの研究を推進しています。

例えば、NV センターの場合、この中にある電子スピンが磁場や温度などに敏感に反応するので、高感度センサーをつくることができます。また、既存の技術では捉えることができない、疾病や細胞の老化・ガン化、放射線に対する細胞応答など生命現象が引き起こす生体内の変化に対しても、ダイ
ヤモンドの NV センターを利用した「量子センサー」によって計測することができます。我々は既に５ nm サイズの非常に小さい量子センサーの製作に成功しています。
量子材料理論プロジェクトは、東京工業大学の特任准教授でもあります松下雄一郎先生がプロジェクトを率いて、量子機能を発揮する材料や結晶欠陥に関する理論的な研究を推進しています。詳しくは、次ページで紹介します。
目黒ラボの様子【研究紹介】量子材料理論研究
量子機能創製研究センター 明石 遼介、 松下 雄一郎

Q

1. どのような研究をされているのでしょうか？

材料中で電子がどのように振る舞うのか理論面から考えています。固体材料の性質は電子が大きな役割を担っていますが、それを知るためには量子力学が必要です。原理的にはシュレーディンガー方程式を解けばよいのですが、大量の電子が関わる場合、方程式は人間にもコンピューターにも厳密には解けません。そこで、量子力学だけでなく、古典物理学、数学、計算科学などを総動員して、現実的な時間で近似シミュレーションする方法を我々は開発しています。
方程式が厳密に解けていませんので、人間は量子力学によってどんな材料の性質が発現するのかを完全に把握できていません。電子のもたらす新現象を探すことも我々の研究課題の一つです。

Q

2. 実際、 シミュレーションはどのようにするのですか？

我々は電子のバンド構造に着目しています。１個の原子は中心に原子核、その周りを回る電子で構成されます。この電子は原子核からの距離に応じていろいろなエネルギーを持ち、決められた軌道しか回ることができません。この軌道が持つエネルギーをエネルギー準位といいます。N 個の原子同士エネルギーが接近した場合は、右図のようにエネルギー準位 N 本の帯状となりN本
伝導帯エネルギー準位
エネルギーバンドます。これをエネルギー帯（エネルギーバンド）と呼びます。エネ
N本
価電子帯
エネルギー準位ルギー準位がバンド状になるため、これをバンド構造といいます。
エネルギーバンド
単一元素
結晶
N 個の原子エネルギーバンドにはエネルギーの低い価電子帯とエネルギーのエネルギーバンド高い伝導帯とがあり、電子はエネルギーの低い価電子帯から埋まります。この価電子帯と伝導帯の間には禁制帯（エネルギーギャップ）高伝導帯と呼ばれる電子が存在できない領域があり、この領域の大きさの違い
伝導帯
伝導帯
バンドギャップにより、物質は導体（金属）、半導体、絶縁体に分けることができます。
価電子帯
価電子帯
価電子帯
低シミュレーションでバンド構造を解析すると、材料の光応答、伝導
導体 ( 金属 )半導体
絶縁体特性、磁場応答などが分かります。ある結晶構造をデータとして渡し導体、半導体、絶縁体のバンド構造たときに、その物質で発現するバンド構造及び電子物性を書き出してくれる計算手法を我々は研究しています。このような手法は第一原理計算といわれ、実際の物質の実験結果と定量的な比較がしやすいことから近年広く使われています。

Q

3. この研究開発はどのようなことに活かされているのでしょうか？

Q

４. 今後の研究について教えてください。

実験結果の解析を補助することができます。理解が難しいシグナルが観測された時、理想状況を仮定したシミュレーションでそれが再現されるかを検証すれば、材料の構造のどの部分がそのシグナルをもたらしているかを解き明かすことができます。例えば、前頁でご紹介したダイヤモンドの NV センターのような結晶の狙った部分に不純物（窒素）を入れる、といった実験的には難しい操作もボタンひとつで実現できるのがシミュレーションです。
半導体の不純物バンドのシミュレーションは精確な計算がきわめて難しく、これを実行できる組織は世界にもまだ数少ないため、この分野で世界に貢献できればと考えています。

現在行っている半導体不純物状態の計算手法整備、実験データの解析をさらに進め、新規材料開発につなげたいと考えています。さらに、第一原理計算の基本理論である密度汎関数理論（電子系のエネルギーなどの物性を電子密度から計算可能とする理論）に機械学習を用いて、さらに精度を高める開発なども進めています。

【研究装置紹介】

ロングレイリー長共焦点顕微鏡
量子機能創製研究センター 増山 雄太【原理と特徴】

ロングレイリー長共焦点顕微鏡（LRCFM：Long Rayleigh Length Confocal Microscope）は、結晶中の欠陥を含む測定対象の深さ方向を均一に光励起して、測定対象全体において量子特性の空間分布111 00 1 0 01 110 000 010 011を評価できる装置です。レイリー長（Rayleigh Length）とは、対象物に照射するレーザービームの0010 00101001 101 00 110
集光点から A 点までの距離で、A 点はビーム径が集光点におけるビーム径の√2 倍となる位置です。
レイリー長が長いほど集光点前後の位置でレーザービーム直径が変わらないということになります。
11 101 1 011 010 001 10 011
量子特性は、具体的には NV センター（本誌 2 ページ参照）の量子状態をどのくらい時間保持できるかを指標としています。代表的な量子状態は「重ね合わせ状態」です。従来のコンピュータは 0 ま
0010 00101001 101 00110
たは 1 の状態だけをとります（この情報量の単位をビット（bit）といいます）。それに対して、0と1 とは別に、「0 でもあり 1 でもある状態」＝「重ね合わせの状態」も実現できる素子は「量子ビット」
0 010 00101001 1 01 00 110と呼ばれ、量子コンピュータなどで利用されます。
0 010
1 01 00 110
左図は00101001
LRCFM と共焦点顕微鏡（CFM）のレーザービー
深さ方向
ビーム径
物質表面物質表面ムを比較したものです。CFM は一般的に高倍率の対物レンズが用いられますが、LRCFM では低倍率対物レンズでレーザースポット径が 20 μm 程度と比較的大きく、結晶中のLRCFM
CFM
LRCFMCFM欠陥を深さ方向に均一に励起できます。励起光は基本的に可視光で、現システムでは 532 nm レーザーで励起し、スLRCFM の特長

100 11 101 010
10011 001 000

2 μm

20 μm

0.5 μm

20 μm010 10 100 110

ポットからの蛍光を測定しています。LRCFM は、試料の励起体積を大きくしてノイズとなる非偏極蛍光の量を減らしながら、検出できる蛍光量を増やしています。このため、材料表面の迷光や背景光の影響をあまり受けず、高い検出信号が得られます。従来の CFM の理想的な蛍光検出条件と比較して、検出される有効な信号は約 10,000 倍です。また、測定する励起光量が大きいので、この高い信号雑音比（S/N 比）により、高速にミリメートル程度の範囲の量子特性空間分布マッピングが可能です。

蛍光強度

T (ms)

Y (μm)【実際の測定】(b)
図 (a) の位置での測定
右図 (a) は、ダイヤモンド中の NV センターの量子 (a)0.00410.5特性の空間分布をエネルギー緩和時間を指標に 50 μ 10000.003
10.08000.002m×50 μｍサイズで色分けしたものです。エネルギー9.50.001
600exp(-t/T)
9.0
緩和時間とは、欠陥が励起状態から基底状態に緩和す0.000
4008.5-0.001るまでの時間です。測定方法ですが、欠陥にマイクロ 200
8.0-0.002波のπパルスを照射して励起状態にした後、時間τ後
051015-2000X (μm)
時間（ms）に 532 nm のレーザー照射を行い、πパルスによる励エネルギー緩和時間の測定
起状態をどの程度保持しているのかを蛍光強度として 量子特性の空間分布読み出します。例えば、グラフ (a) の (x, y) = (-200 μm, 100 μm) における測定では、グラフ (b) のような結果が得られ、フィッティングカーブより緩和時間は 10.5 ms であることが分かります。

メッセージ
新年度を迎え、QST として第二期となる中長期目標期間が始まります。量子ビームを活用して量子センサーや量子コンピュータなどの量子技術の基盤研究を強力に推進してまいります。それに伴い、高崎研の英語名称も量子技術の応用研究を表す「Takasaki Institute of Advanced Quantum Science」に変わりました。TIAQ（ティアック）との略称で、高崎研の国際的認知度がより高まるよう、所員一丸となって量子技術に関する基盤研究・開発に取り組んでまいります。

（高崎量子応用研究所長前川康成）「西暦 2023 年」は間違えることがないのですが、和暦はすぐに忘れてしまいます。先日も全く疑うことなく「令和 4 年」と何度も記入していました。今後は、「和暦 =（西暦の下 2 桁）−18」と覚えようかと思います。来年は 2024 年なので 24-18＝6、令和 6 年です。“18” 大丈夫かな？