ダイヤモンドNV中心を用いたリアルタイム3D磁場マッピング技術

• ダイヤモンドの窒素-空孔（NV）中心欠陥を用いて、異なる方向の磁場を同時に検出する新ツール
• 磁場の3D画像をリアルタイムで作成
• 凝縮系物理学や生物学など多様な分野で活用可能

動的ベクトル磁場のリアルタイムセンシングは、磁気ナビゲーション、生体磁場検出・イメージング、磁気異常検出など、多数の磁気計測応用で必要とされています。

スカラ磁力計は磁場の大きさのみを測定可能ですが、ベクトル投影磁力計は特定軸に沿った磁場投影を測定できます。しかし、異なる方向の磁場を一度にすべて測定したい場合はどうすればよいでしょうか。

最近、ハーバード大学の研究者たちが、凝縮系から発火ニューロンまで、ほぼあらゆるものの磁場を感知できるツールを開発しました。これを実現するため、ダイヤモンドのさまざまな点欠陥の一つである窒素-空孔（NV）中心を使用します。異なる方向の磁場を同時に検出可能です。

仕組み

研究者たちは、4mm角の小さなダイヤモンドウェハーを4つの異なるマイクロ波信号にさらしました。各信号は特定のNV配向を測定するように設定され、特殊な周波数変調パターンに従ってディザリング（低振幅信号の歪みを減らすためにホワイトノイズを追加）されました。これにより、個々のNV配向が異なる磁場方向でどう振る舞うかを分析できました。

これまで、単一のNV配向の応答を一度に観察するためにマイクロ波周波数を定期的に切り替える、面倒で時間のかかるプロセスでした。新ツールは従来手法に対する大幅な改善を表します。

従来手法は、発火ニューロンによって生成される生体磁場のような高速プロセスには機能しません。すべての情報を取得できませんが、新技術ならさまざまな方向の磁場を同時に測定できます。

この研究では、磁場が変動する中でダイヤモンドから連続的なデータストリームを収集しました。新ツールはデータを収集するより速く処理できるため、研究者たちは磁場の振幅と方向をリアルタイムで観察できます。

参照: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

このシステムは、ダイヤモンドのNV中心を用いて海洋性ワームの神経信号を特定した先行研究に基づいて構築されています。これは概念実証に過ぎません。効果的な神経科学システムは哺乳類のニューロンと互換性がある必要がありますが、発火ニューロンがさまざまな方向に整列した磁場を生成するため、そのようなシステムの構築は非常に困難でした。しかし、新たに開発されたツールは、ニューロン磁気センシングのこれらすべての問題を処理します。

なぜ窒素-空孔中心を使用したのか？

このタスクでは、NV中心がダイヤモンド格子に完全に配置されています。各NV中心は、1つの炭素原子を窒素原子と隣接する空孔で置き換えることで作られます。各原子は4つの他の原子と結合しているため、4つの可能なNV配向があり、それぞれがその方向に配向した磁場に敏感です。したがって、4種類のNV中心を用いて磁場の方向を特定できます。

研究者提供

この実験では、研究者たちはダイヤモンドウェハーを（実験室で生成した）磁場に置き、レーザー光を照射して鉱物を発光させました。NV中心が磁場の変化と固有の周波数変調パターンに反応すると、NV中心の輝度が大きく変化します。

研究者たちは輝度の変化を追跡し、磁場の3D画像を作成しました。これで4つのNV配向をすべて同時に観察し、磁場をリアルタイムで特定できます。まるで4つの異なるラジオチャンネルを同時に聴いて、それらがすべて一緒に意味を成すようなものです。

これは他の科学者たちが行っていることの小さな改良に過ぎませんが、著者らはこの技術が凝縮系物理学や生物学を含むさまざまな分野で活用可能だと考えています。