Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

単一の細胞が発する目に見えない磁気のささやきを見たり、ニューロンを流れる微細な電流をマッピングしたりできる世界を想像してみてください。しかも、対象物に一切触れることなくです。これは、量子世界の奇妙で壊れやすい法則を利用して、現在私たちが持っているあらゆるものよりもはるかに高感度な検出器を構築しようとする分野、量子センシングが約束する未来です。この革命の中心にあるのは、窒素空孔（NV）中心として知られるダイヤモンド内の微小な欠陥です。これらは、ダイヤモンドの原子格子における「欠けているピース」のようなもので、そこに余分な電子が捕らえられることで、驚異的な精度で磁場を感じ取ることができる微小な磁力計へと変化します。これらのセンサーは室温でも動作しますが、これは量子デバイスとしては極めて稀なことです。また、これらは非常に小さく作ることができるため、理論的には単一分子の磁場を測定することも可能です。しかし、長年の課題が彼らの足を引っ張ってきました。十分な強さの信号を得て測定するためには、通常、これら多数の欠陥の集団を見る必要がありますが、集団を見ると画像がぼやけてしまい、微細な詳細を見ることができなくなるのです。逆に、単一の欠陥だけを見ると、鮮明な画像が得られますが、信号が非常に弱くなってしまいます。

カルガリー大学の研究チームは、このトレードオフを打破する方法を見出しました。彼らは、微小なセンサーの鋭さと、大きな集団の強さを兼ね備えた新しいタイプのセンサーを構築したのです。彼らは、窒素空孔中心が高密度に詰まったダイヤモンドのチップを取り、それを人間の髪の毛ほどの幅しかない微小なディスクへと削り出しました。このディスクは、光の「ウィスパー・ギャラリー（ささやきの回廊）」のように機能し、フォトンの動きを円の中に閉じ込めることで、脱出する前に何度も何度も跳ね返るようにします。このディスクの端に細くテーパー状の光ファイバーを近づけることで、嵩高いレンズや鏡を使うことなく、そこへ光を注入し、出てくる光を回収することができました。このセットアップにより、数千ものダイヤモンド欠陥を同時に励起しながら、センシング領域を極めて小さく保つことが可能になりました。その結果、極めて少量のレーザー光で駆動し、単一のファイバーによって外部の世界とつながった、高い感度とマイクロメートルスケールの詳細を捉える能力を併せ持つデバイスが誕生しました。

研究者たちは、ラムゼイ磁気測定と呼ばれる手法を用いて、この新しいプラットフォームのテストを行いました。これは、光とマイクロ波の精密なパルスを使用して、ダイヤモンド中の電子の状態を読み取る手法です。彼らは、このデバイスが58ナノテスラ毎平方根ヘルツ（nT/√Hz）の感度で磁場を検出できることを明らかにしました。これは、ナノファブリケーション技術を用いたチップ上に構築された磁力計として報告された中で、最も高感度な測定です。これを比較するために言えば、まだ単一原子の最も微かな磁気のささやきを検出できるほどではありませんが、これほど小さく統合されたデバイスとしては、極めて大きな飛躍です。チームは、デバイスが光粒子の根本的なノイズによってのみ制限されていることを示しました。これは、現在の設計において、物理学が許容する最高の性能を発揮していることを意味します。また、彼らは、ダイヤモンドの欠陥が、この小さなディスクに削られた後でも、驚くほど長い間量子状態を保持できることを実証しました。これは、デバイスが実用化に向けて十分に堅牢であることを示唆しています。

この成果が特に重要である理由は、それが「スケーリング（規模の拡大）」の問題をどのように解決したかにあります。以前の小型センサーの試みでは、複雑で自立型の光学機器が必要であり、使用や他のシステムへの統合が困難でした。今回の、ファイバーを通じてセンサーと対話するという新しい設計は、単一のチップ上にこれらのデバイスの配列（アレイ）を作成する道を開きます。将来、数百のセンサーで覆われたマイクロチップが、微細なチャネルを流れる生物学的サンプルの磁場をマッピングしたり、コンパクトなデバイスがコンピュータチップ上の磁気パターンを前例のない詳細さでイメージングしたりすることを想像してみてください。研究者たちは、このデバイスが機械的に強く、液体で洗浄しても耐えられることを指摘しており、これは生細胞や流体を研究するのに適していることを意味します。現時点では、光を収集する効率においてまだ改善の余地がありますが、進むべき道は明確です。光をダイヤモンドに結合する方法を洗練させ、さらに純度の高いダイヤモンド材料を使用することで、感度はさらに100倍向上する可能性があり、水の一滴よりも小さなサンプルに対して核磁気共鳴分光法を行う能力に近づくことができます。

また、この研究は、これほど小さなディスクを作るプロセスが、懸念されていたほどダイヤモンドの繊細な量子特性を損なわなかったことも明らかにしました。チームは、量子状態がどれくらいの期間持続するかを測定することで、製造プロセスが材料に導入した歪みが極めて小さいことを確認しました。これは非常に重要です。なぜなら、歪みはセンサーの正確な測定能力を台無しにするからです。彼らは、ディスク内の欠陥が、大きな未加工のダイヤモンド片の中で振る舞うのとほぼ同じように振る舞うことを発見し、ナノファブリケーション技術が高精度な量子センシングと互換性があることを証明しました。チームは、背景ノイズをフィルタリングするためにロックイン増幅技術を使用し、ノイズの多い環境でもクリアな信号を抽出することに成功しました。この手法と低出力レーザーの使用能力を組み合わせることで、センサーは、研究対象となるデリケートなサンプルを加熱したり損傷させたりすることなく動作できます。

将来を見据えて、研究者たちは、これらのセンサーが単なる研究室の珍品ではなく、生物学や材料科学のための実用的なツールになる未来を見据えています。センサーが非常に小さく、サンプルに極めて近づけることができるため、現在の解像度では不可能なレベルで、心臓や神経組織から発生する磁場を測定できる可能性があります。これらのセンサーをチップ上の他のフォトニックコンポーネントと統合できる能力は、それらが量産され、携帯型デバイスに使用されることを意味します。論文は、このプラットフォームが次世代の量子センシングに向けた大きな一歩であり、これまでに見たことのないサイズ、感度、および統合の可能性を提供していると結論付けています。ファイバー結合されたオンチップ・ダイヤモンド・キャビティがこれほど高い感度を実現できることを証明することで、チームは、私たちの周囲にある磁気の世界の観察方法を変革する可能性のある、新しいクラスの計測器の設計図を提示したのです。