第 204 号・2024 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

新規領域

ダイヤモンド窒素 - 空孔欠陥（NV）を用いた
コンパクトでポータブルな量子センサモジュール
Compact and Portable Quantum Sensor Module
Using Diamond Nitrogen-Vacancy Centers
＊

出口

洋成

寺本

三記

水落

憲和

Hiroshige Deguchi

Minori Teramoto

Norikazu Mizuochi

林司

Tsukasa Hayashi

藤原

正規

辰巳

夏生

Masanori Fujiwara

西林

良樹

森下

弘樹

Yoshiki Nishibayashi

Hiroki Morishita

Natsuo Tatsumi

USB3.0電源で3W の低消費電力で動作するダイヤモンド NV センターを用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュールを開発した。NV センサは、住友電気工業㈱の独自の超高圧合成技術により製作された高品質な汎用のダイヤモンドを用い、㈱ NHV コー
ポレーションにて電子線照射の処理を行うことで高感度のものを製作した。また、ダイヤ基板をコーナーキューブにすることにより、光電流を直方体の形状に比べて2.1倍に高めることに成功した。加えて、λ /4オープンスタブとλ /4変成器を用いたマイクロ波共振器により NV センターを強力に磁気駆動させ、マイクロ波の電力を20dB 低減した。これら光学系とマイクロ波系の効率向上により、
5×10×20mm の小さなセンサヘッドで磁界と温度を計測できるコンパクトでポータブルな量子センサモジュールを実現した。本稿では、ダイヤモンドセンサの社会実装に資するべく、これらの技術成果を報告する。

We have developed a portable measuring instrument that uses diamond nitrogen-vacancy (NV) centers. It operates on theUSB 3.0 power supply of a laptop computer, consuming only 3 W of power. We use high-quality diamonds produced by
Sumitomo Electric Industries, Ltd. and NHV Corporation's electron beam processing to create a sensitive NV sensor. The
device's portability is achieved through low power consumption in both the optics and the microwave source. This is
made possible by a diamond corner cube that increases the photocurrent by 2.1 times compared to planar diamonds
and a microwave resonator using a λ/4 transformer and λ/4 open stub that reduces the power consumption by 20 dB. The
sensor head is compact (5 × 10 × 20 mm), and allows for magnetic field and temperature measurements. The
successful implementation of these features contributes to the use of diamond sensors in various applications.
本稿は「Applied Physics Express 16, 62004（2023）」に掲載の論文に、一部加筆したものである。
キーワード：ダイヤモンド、NV センター、量子センサー、磁場、温度

1.

緒

言

日新電機㈱では、住友電気工業㈱（以下、住友電工）に量子コンピュータや量子暗号通信など、活発に研究されてて高温高圧法※1で合成したダイヤモンドに日新電機グルーいる量子アプリケーションの中で、近い将来に社会実装がプ企業である㈱ NHV コーポレーション（以下、NHVC）の期待できる具体的な用途が多数提案されている量子センサ

電子線照射※2、もしくは日新イオン機器㈱のイオン注入※3のうち、特にダイヤ NV センターが着目されている。NV セを用いて空孔を作り出し、アニール処理を行って NV セン

ンターとは、図1のようにダイヤモンド中の炭素原子（C）

ターを形成している。

が窒素原子（N）と空孔（Vacancy）のペアに置き換わったものである。

その基本特性は光学的手法や電子スピン共鳴法で測定され、電子状態が研究されてきた（3）～（5）。NV センターは

（1）
、
（2）

緑色の励起光を当てると赤色に蛍光を発し、その蛍光の強さは磁界やマイクロ波共鳴によって変化する光検出磁気共鳴（Optically Detected Magnetic Resonance, ODMR）という特性を持っている。NV センターはスピン三重項と呼ばれる基底状態を持ち、ms ＝±1の準位は磁界によってゼーマン分裂を起こす（図2）。光で励起すると電子は元の準位によらず最も低い ms ＝0に落ち着くが、ここで ms ＝±1に一致した周波数のマイクロ波を照射すると、NV セン
ターは非発光の状態となる。この共鳴周波数を測定するこ
写真1 単結晶ダイヤモンド

図1

NV センターの結晶構造とで、NV センターは周囲の磁界・電界・温度を敏感に読み
ダイヤモンド窒素-空孔欠陥（NV）を用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール

118（1）

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第 204 号・2024 年 1 月

取ることができる。このような動作原理のため、センサー

や密度や集光の効率を大幅に向上させた。またλ/4オープ

としての性能を上げるには、励起光と µ 波強度の向上と、ンスタブとλ/4変成器を用いたマイクロ波共振器により、蛍光の高効率収集の技術が必要である。

マイクロ波源の電力を低減することも示す（23）。

2.
2－1
ms =

+1

-1
0

+1
-1
2

を使用して簡略化すると、

20............................................（1）

+1

+1

×

-1

0

0

(GHz)

637nm
±1

-1
1 3

0

励起光源の低消費電力化

ダイヤモンド磁気センサの感度の理論式（7）は、比例記号±10

低消費電力化の技術（ここで q は量子効率・集光効率、C は蛍光コントラスト、NNV は NV センター数、T2* はスピンのコヒーレント時間）13で表されるため、量子効率・集光効率 q が良くなると感度が比例して良くなる。さらに励起光の吸収効率に比例して励起される NV センターの数 NNV が増えるため、その数が図2多いほど、感度が良くなる。これらを向上させるコーナー

NV センターの電子状態

キューブカット（写真2）について説明する。

さらに NV センター中のスピンは室温においてもコヒー
レント時間が非常に長いことが示され（6）、さまざまな量子センサの可能性が提案されてきた（7）～（10）。現在では NMR
や（11）～（13）、心 磁・脳 磁 セ ン サ（14）、車 載 バ ッ テ リ ー セ ン
（17）
（19）
サ（15）、細胞／生体センサ（16）、、素粒子物理センサ（18）、など、さまざまなセンサ応用が熱心に研究されている。
従来は光学ベンチ上で NV センターの基本特性が研究されていたが、現在はこれら実際の応用に向けての検討が進

写真2 コーナーキューブダイヤの外観写真んでいる。Stürner らは、コインサイズのダイヤモンドセン
サを研究し（20）課題として、励起光による発熱と、測定対象の磁界に対する電子部品によって生成される磁界の影響を挙げている。また、Herbschleb らは広いダイナミックレン（1）蛍光の集光効率の向上の効果

ジのパルス NV センシング法を示し（21）、波多野らは CW セ

ダイヤモンドは宝石としてブリリアントカットされた場

ンシング法で電気自動車のバッテリーの充放電電流を広い

合は輝いて見えるが、単純な平面やウェハ状では NV セン

ダイナミックレンジで計測できることを示した（15）。これら

ターの励起や蛍光検出には不利となる特徴がある。平面のはマイクロ波発生器とセンサ制御を光学台の上で行っていダイヤ基板では、屈折率が2.4と周辺の空気より大幅に高たため、自動車用途には小型化が期待されている。Mariani

いため、蛍光のうち集光できるのは、前方の±12.0°以内

らは、科学教育のための卓上システムを構築し、量子操作に放射される1.1％のみに留まり、残りの光は反射されてを身近なものとした

ダイヤの外に取り出すことができない（図3（a））
。

。しかし、これは顕微鏡に類似した（22）

光学システムを使用しており、さまざまな外磁場のセンシ

これに対して、ダイヤ基板をコーナーキューブカットする

ングシステムとして使用するためのものではなかった。

と、蛍光取出面以外が傾斜していることにより蛍光が全反社会実装に向けて、センサヘッドと励起光の光源、さら

射し、取出面に垂直に向かう光路を増やすことができる。

にマイクロ波の発生とセンサの制御も含めてコンパクトでまずコーナーキューブの3面の側面のうちの1面に1回反射

ポータブルなセンサシステムが求められている。今回の量

して前方を向く方向が3通り（図4（C））ある。次に2面に1子センサモジュールでは、励起光源とマイクロ波源および回ずつ反射して前方を向く方向が3通り（図4（D））ある。

センサの制御をノートパソコンの USB 3.0電源で動作する

さらに取出面と逆方向に向かう蛍光は3面に1回ずつ反射しまで低消費電力に抑え、消費電流0.6A、3W で駆動できて前方を向く1通りがあり（図4（B））、合計で最大1＋3＋

るようにした。ダイヤモンドセンサをシンプルなコーナー

3＋1＝8通りの方向の±12.0°で放射される蛍光が集光でキューブにカットすることにより、励起光や蛍光の、吸収きるため最大8.8％まで蛍光収集効率が向上する。

ダイヤモンド窒素-空孔欠陥（NV）を用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール

119（2）

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第 204 号・2024 年 1 月（図4（D））、3面に1回ずつ反射して到達する経路が1通りあり（図4（B））
、合計で1＋3＋3＋1＝8通りの経路の励起光が照射されることになり（途中での吸収が小さくそれぞれで全反射した場合、の最大で）NV センターに照射される励起光のパワー密度が8倍に向上する。
（a）平面ダイヤ
図3（4）コーナーキューブカットの感度向上の効果（b）コーナーキューブダイヤ

これらの向上効果の合計値を計算すると、蛍光を集光する光学系（光ファイバや対物レンズ）の開口数を0.5、まダイヤ基盤の形状の違いによる集光量の変化

た途中での吸収が小さく、光ファイバのコアまたは対物レ
ンズはダイヤ基板より十分大きい場合を考えると、集光効
率 q は8倍、また励起光の吸収効率 NNV を2倍として先述の感度の理論式に当てはめると感度は最大で8×√2 ≈ 11倍の向上が期待できる。
（5）比較実験
平面とコーナーキューブカットで、ダイヤ基板から測定される蛍光量を比較した。本稿での全ての試料は窒素を含む Ib 型ダイヤモンドを用い、NHVC にて3MeV、1×1018
cm-2の電子線照射を行い、真空中900℃で1時間アニール

図4 コーナーキューブダイヤ内の蛍光の光路処理を行った。コーナーキューブの寸法は斜辺1.3mm、底辺1.7mm とし、両サンプルともコア径φ400µm、NA0.5のマルチモード光ファイバを端に設置し、フォトダイ（2）励起光の吸収効率の向上の効果

オードに接続した。励起光は波長515nm、ファイバ端で平面のダイヤ基板では、ダイヤ基板の平面に垂直に入射

強度3mW とした。蛍光の光電流で比較すると、平面のダした励起光はそのまま裏面から抜けてしまい、光路長は基イヤ基板では610nA、コーナーキューブのダイヤ基板では板の厚み d に留まる。これに対して、コーナーキューブカッ

1300nA となり、低消費電力のレーザーダイオードでも S/トのダイヤ基板は、底面に垂直に入射した励起光は、斜面

N 比の良いデータ取得が可能になった。

の3面に1回ずつ反射して入射方向に戻る全反射の機能を持

実験値（2.1倍）と（4）で示した理論値（11倍）との乖離につ（図5（b））。これにより光路長が平面ダイヤの2倍に長ついては、実験で用いた光ファイバのコア径（φ400µm）

くなり、励起される NV センター数 NNV が2倍となることに対して、ダイヤの底辺1.7mm が大きく、光ファイバのコで、励起光の光吸収の効率が（途中の吸収が小さい場合にアはダイヤの底面の約1/10を覆うに留まるため、ダイヤのは）2倍に向上する。励起光の吸収効率の効果の比較を示

側面で反射した光が光ファイバに入らず外に漏れてしまっす（図5）。

たためと考えている。この実験により、光ファイバのコア
径とダイヤのサイズの最適化や、一辺が1mm を下回るダ
イヤの加工や取り扱いが課題であることがわかった。
2－2

NV センターを強く磁気共鳴させるにはマイクロ波の磁d（a）平面ダイヤ
図5

マイクロ波源の低消費電力化（1）マイクロ波の電流を大きくする効果d

界を強くする必要がある。そのためにはマイクロ波の電流（b）コーナーキューブダイヤ

を大きくする必要があり、出力が P（W）で特性インピー
ダンスが Z（Ω）の高周波回路の電流は

ダイヤ基盤の形状の違いによる励起光の光路長の変化........................................（2）（3）励起光のパワー密度の向上の効果であるため、負荷のインピーダンスが0Ωの時に最大値が励起光のパワー密度を1とすると、平面のダイヤ基板で得られる。そのためには負荷インピーダンスを0Ωに近づは、正面からの励起光のみが NV センターに到達するため、

けつつ、負荷から電源側を見た際の線路の特性インピーダ

パワー密度は1のままである。コーナーキューブカットのンスと電源の短絡抵抗を下げることになる。

ダイヤ基板では図5の経路の逆をたどり、コーナーキュー

λ/4オープンスタブの付け根を基準面とすると、基準面ブの3面の側面の1面に1回反射して到達する経路が3通りから先端を見た負荷インピーダンスを0（Ω）に近づけて直（図4（C））、2面に1回ずつ反射して到達する経路が3通り

列共振させるため、λ/4オープンスタブを用いた。また、

ダイヤモンド窒素-空孔欠陥（NV）を用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール

120（3）

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基準面から電源側を見た際の線路の特性インピーダンスと（3）比較実験

電源の短絡抵抗とを下げるため、インピーダンス変換にこの共鳴器を50Ω終端のマイクロストリップラインや、

λ/4変成器を用いた。

50Ω終端のコプレーナ線路（24）と比較した。また、電気回路（2）マイクロ波の磁界を強くする効果の双対性から、電流と電圧、開放と短絡、直列共振と並列

次にマイクロ波の磁界を強くするためのλ/4オープンス

共振を入れ替えて構成したλ/4ショートスタブの共鳴器とタブの線路の形状と特性インピーダンスについて説明する。

も比較した。共鳴器の性能は NV センターの磁気共鳴した時

線路の特性インピーダンスはの蛍光の減光量で評価し、励起光は波長515nm、15mW、スポットサイズ60×120µm とした。光学系は市販の顕微................................................（3）

鏡を改造し、照明の位置に LD を、接眼レンズの位置に PDを置いた。マイクロ波の磁界の方向は（100）基板に対しであり、L は単位長当たりのインダクタンス（H/m）
、C はて〈100〉方向または〈010〉方向とした。直流バイアス

単位長当たりのキャパシタンス（F/m）である。単位長

磁界は印加せず、磁気遮蔽は行わなかった。共鳴器の特性

当たりのインダクタンスは単位長当たりの磁束量であり、の評価はベクトルネットワークアナライザ（NanoVNA）

λ/4オープンスタブの線路の幅が同じであれば、磁束密度で行った。本比較実験の結果を図7と写真3に示す。

に比例する。
このことから、λ/4オープンスタブで磁界を強くするため、単位長あたりのインダクタンスの大きい、つまり特性インピーダンスの大きい線路形状を採用する必要がある。
また、導体配置の対称な線路形状では、導体間に均一なマイクロ波磁界が発生する。線路の特性インピーダンスが大きいことと、導体配置が対称なことにより、平行2線の線
路形状を採用した。
このような考察から、インピーダンス変換をλ/4変成器とし、直列共振をλ/4オープンスタブとすることで、マイクロ波を強くする共鳴器を構成した（図6）。
λ/4変成器の線路は特性インピーダンスはZo＝20Ωのマ

図7イクロストリップラインとし、銅箔テープとポリイミドシー

各形状の共鳴器のスピン検出コントラスト比とマイクロ波パワーの関係

トで試作した。λ/4オープンスタブの線路は特性インピーダ
ンスはZo＝200Ωの平行2線とし、銅ワイヤで試作した。

(a)

（a）
Z0 = 50（b）
Z0 = 50/4（c）Z0 = 50
(
（d）

/4

(b)

15mm 20mm
5mm

)
/4

/4

Copper wire ø0.45mm
Copper foil 35µm thickness

図6 λ/4変成器とλ/4オープンスタブで構成されたマイクロ波共鳴器（a）集中定数回路による共鳴器の構想（b）分布定数線路による共鳴器の構想（c）λ/4変成器とλ/4オープンスタブで構成した共鳴器の上面図（d）（c）の下面図

写真3 各形状の共鳴器のスミスチャート（a）コプレーナ線路による共鳴器のスミスチャート（b）λ/4変成器とλ/4オープンスタブによる共鳴器のスミスチャート

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本図のように、λ/4変成器とλ/4オープンスタブで構成されたマイクロ波共鳴器により、他の線路に比べ約20dB 低い

生、③蛍光の受光、④センサの制御を行う。表1に、制御モジュールの主要な部品構成と計測機能を示す。

マイクロ波出力で同等のコントラスト比を得ることができ、
2dBm 未満で CW-ODMR が計測可能になった。これにより、マイクロ波を発振する IC の出力（例えば ADF4351、

表1

制御モジュールの主要な部品構成と測定機能

出力 -4～5dBm）を増幅せずに使用できるため、消費電力

主要部品も低減を実現した。

マイコン

Arduino Due

励起光源
レーザーダイオード

Thorlabs L515A1, wavelength 515 nm,
10 mW

フォトダイオード

Hamamatsu Photonics S6967（Si series）

光ケーブル

Thorlabs M126L01,
core diameter 400µmφ, NA 0.5

器とλ/4オープンスタブのマイクロ波共鳴器では反射 S11

マイクロ波
シンセサイザー

Analog Devices ADF4351（Kit Board）

パラメータが1に近く、スミスチャートで50Ω付近に近づ

受光回路オペアンプ

TI OPA627

直流電源
DCDCコンバータ

TDK-Lambda CC1R5-0512DF-E（±12 V output）

また、ベクトルネットワークアナライザでこの共鳴器性能を測定すると、50Ω終端のコプレーナ線路では100MHz～3GHz の広い範囲で透過 S21パラメータが1に近く、スミ
スチャートで50Ω付近に留まる特性が得られた。λ/4変成

かない特性が得られた。

計測機能

3．ダイヤモンド NV センサモジュール
3－1

センサヘッドの構成

図8と写真4にセンサヘッドの構成を示す。マイクロ波の伝送は同軸ケーブルで行い、励起光と蛍光の伝送は1本の光ファイバで行った。先述のコーナーキューブカットのダ

CW-ODMR-1 dBm、2.77～2.97 GHz（100kHz間隔）230秒

温度測定（ゼロ磁場下）-10～70℃（1.4℃刻み）0.7秒

蛍光強度測定-1 dBm, 2.88 GHz 0.015秒（マイクロ波周波数固定）
温度測定（商用AC磁界下）-40～200℃（1.4℃刻み）15秒

イヤ基板と、λ/4変成器とλ/4オープンスタブで構成したマイクロ波共鳴器を使用した。
センサヘッドは5mm ×10mm ×20mm の直方体形状と3－3

センサモジュールによる測定例

し、マイクロ波共鳴器はλ/4変成器とλ/4オープンスタブ

セ ン サ モ ジ ュ ー ル に 搭 載 し た 測 定 機 能 の う ち、の接続部と、λ/4オープンスタブの中央の、計2か所で折CW-ODMR による測定例を示す（写真5）。測定では0～

り曲げてセンサヘッドをコンパクトにした。

1mT でダイヤモンド結晶（100）方向の DC 磁界を印加してセンサーモジュールの感度を測定した。蛍光強度は500nA で蛍光ノイズは50pArms であった。図9より、半値/4

幅は8MHz、コントラスト比は1.3％であった。（100）方向の磁界は N-V の結合方向の（111）から54.7°傾いているため、磁気回転比は28MHz/mT × cos 54.7°＝16MHz/
mT と な る。こ の 時 の 蛍 光 の S/N 比 は50pA/500nA ＝
/4
20mm

図8

0.0001、また蛍光の測定は1秒間に9回行っているので、

10mm
5mm

相当と見積もった。現状の感度に対しては、光ファイバのセンサヘッドの構造

コア径とダイヤのサイズの最適化や、一辺が1mm を下回るダイヤの取り扱いの改善や、NV センター濃度の選択の最適化により、向上できると考えている。

写真4

3－2

センサヘッドの外観

制御モジュールの構成と計測機能

制御モジュールは、①励起光の発生、②マイクロ波の発

写真5 ノートPC に接続されたセンサモジュール図9

CW-ODMR 測定結果

ダイヤモンド窒素-空孔欠陥（NV）を用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール

122（5）

住友電工テクニカルレビュー

4.

結第 204 号・2024 年 1 月

言用途開発のデモ機として、卓上の USB 電源で測定できる
量子センサーを開発した。コンパクト化とポータブル化と低消費電力化を実現するダイヤ基板のカットの技術（コー（19）S. Chigusa et al., arXiv2302.12756（24 Feb 2023）（20）F. M. Stürner et al., Diam. Relat. Mater. 93, 59（2019）（21）E. D. Herbschleb et al., Nat. Commun. 12, 306（2021）（22）G. Mariani et al., AIP Adv. 12, 065321（2022）（23）H. Deguchi et al., Appl. Phys. Express 16, 62004（2023）（24）Y. Masuyama et al., Rev. Sci. Instrum. 89, 125007（2018）

ナーキューブカット）とマイクロ波共鳴器の技術（λ/4変成器とλ/4オープンスタブ）を紹介した。ダイヤのこれらの技術がダイヤ磁気センサの社会実装に資することを願う。
執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

5.

謝

出口

辞

洋 成＊ ：日新電機㈱ 主幹
技術士（電気電子部門）

森下より東北大学先端スピントロニクス研究開発セン
タースピントロニクス学術連携研究教育部門に謝意を申し上げます。また本研究は部分的に MEXT Q-LEAP（No.
JPMXS0118067395）とスピントロニクス学術連携研究

林司 ：日新電機㈱ 参与
博士（工学）

教育センター（Spin-RNJ）の支援を受けました。
西林良 樹 ：アドバンストマテリアル研究所
博士（工学）

寺本

三 記 ：住友電工ハードメタル㈱藤原

正 規 ：京都大学 特定研究員
博士（理学）

森下

弘 樹 ：東北大学 准教授
博士（工学）

水落憲 和 ：京都大学 教授
博士（理学）

辰巳

夏 生 ：日新電機㈱ 主幹
博士（工学）

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1

主幹

高温高圧法

High Pressure High Temperature（HPHT）: 超高圧発生装置を用いて、天然ダイヤモンドの結晶が生まれる環境を主席再現し、原料となる黒鉛をダイヤモンドへ変換させる方法
である。
※2

電子線照射

高エネルギーの電子線をサンプルに照射する技術で、ダイ
ヤモンドなど樹脂・高分子製品の架橋処理等に用いられる。
※3

イオン注入

高エネルギーのイオンをサンプルに照射する技術で、半導体などのドーピング層形成に用いられる。

参 考 文 献（1）	G. Davies et al., Proc. R. Soc. Lond. A. 348, 285（1976）（2） J. H. N. Loubser et al., Diamond Research.. 11, 4（1977）（3） A. Lenef, S. C. Rand et al., Phys. Rev. B 53, 13441（1996）（4） L. J. Rogers et al., New J. Phys. 17, 013048（2015）（5） M. W. Doherty et al., Phys. Rev. B 85, 205203（2012）（6） E. D. Herbschleb et al., Nat. Commun. 10, 3766（2019）（7） J. M. Taylor et al., Nat. Phys. 4, 810（2008）（8） T. Wolf et al., Phys. Rev. X 5, 041001（2015）（9） C. L. Degen et al., Rev. Mod. Phys. 89, 035002（2017）（10）左亦康 他、住友電工テクニカルレビュー第198号、67（2021）（11）S. Schmitt et al., Science 356, 832（2017）（12）D. Glenn et al., Nature 555, 351（2018）（13）E. D. Herbschleb et al., Phys. Rev. Applied 18, 034058（2022）（14）K. Arai et al., Commun. Phys. 5, 200（2022）（15）Y. Hatano et al., Sci Rep. 12, 13991（2022）（16）R. Igarashi et al., Nano Lett. 12, 5726（2012）（17）B. S. Miller et al., Nature 587, 588（2020）（18）X. Rong et al., Nat. Commun. 9, 739（2018）

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
＊主執筆者

出典元
出口 洋成 他、「ダイヤモンドNVセンターを用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール」、日新電機技報 Vol.68 No. 2、pp.63-70（2023
年12月）ダイヤモンド窒素-空孔欠陥（NV）を用いたコンパクトでポータブルな量子センサモジュール

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