MATERIAL DEVELOPMENT OF NANODIAMONDS

FOR QUANTUM SENSING 

Fluorescent Nanodiamonds and Nitrogen Vacancy Color Centers

Diamonds that emit a deep red glow when exposed to green light have recently attracted increasing attention. This deep-red fluorescence originates from nitrogen-vacancy defect centers (NV centers) in the diamonds. NV centers are color defect centers that consist of nitrogen impurities and vacancies in the diamond lattice structure of carbon. NV centers exhibit a spin-optical phenomenon called optical detected magnetic resonance (ODMR), in which the fluorescence is modulated by microwave-driven electron spin states. As ODMR is very sensitive to the magnetic field, temperature, and electric field of the environment of a diamond, such diamonds can be used as sensors. This technology, referred to as quantum sensing, is based on R&D in quantum computing and is a by-product of ultra-precision quantum technology. Our group focuses on quantum sensing technology using diamond nanoparticles (nanodiamonds). The electron spin properties of nanodiamonds are essential for realizing highly sensitive sensors. Therefore, we characterized the surface of nanodiamonds before and after modification, which is crucial for improving spin characteristics [1, 2]. More recently, we investigated the surface modification of nanodiamonds (hybridization of metallic nanoparticles) for biomedical and electronic device applications.

緑色の光りを当てると深赤色で光るダイヤモンドが注目されています。ダイヤモンドの炭素原子の一部が窒素と空孔に置き換わった窒素欠陥中心(NV中心)が形成されるとこのような蛍光を示します。このNV中心は、携帯電波に近いマイクロ波を照射すると電子スピン状態が変化して蛍光強度が変化する光検出磁気共鳴(ODMR)という現象を示すます。このODMRはダイヤモンド周囲の磁場や温度・電場に鋭敏に反応するため、逆に周辺環境のセンサとして利用できます。この技術は量子コンピュータなどの技術開発の中で生まれてきた,超精密量子技術のいわば副産物であり量子センシングとも言われています。私たちは、特にダイヤモンドナノ粒子(ナノダイヤモンド)を利用した量子センシング技術の開発を行っています。優れたセンサとするためには、ナノダイヤモンドの電子スピン特性が重要になります。私たちはこれまでにスピン特性向上の鍵となる表面状態の正確な評価や改変を行ってきました[1, 2]。より最近では、ナノダイヤモンドの表面改質や他の金属ナノ粒子と複合化する物質開発を行っており、生体計測やデバイス計測への利用を進めています。

[1] Fujiwara et al., ACS Appl. Nano Mat. 2, 3701-3710 (2019).

[2] Fujiwara et al., RSC Adv. 9, 12606-12614 (2019).

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