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ダイヤモンド単結晶およびその製造方法 新技術説明会

国内特許コード P190015964
整理番号 Q20087JP
掲載日 2019年4月16日
出願番号 特願2018-155987
公開番号 特開2020-029386
出願日 平成30年8月23日(2018.8.23)
公開日 令和2年2月27日(2020.2.27)
発明者
  • 小野田 忍
  • 春山 盛善
  • 大島 武
  • 千葉 敦也
  • 平野 貴美
  • 五十嵐 龍治
出願人
  • 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
発明の名称 ダイヤモンド単結晶およびその製造方法 新技術説明会
発明の概要 【課題】トリプルNVセンター以上の多量子ビットとして作用するNVセンターを有するダイヤモンド単結晶を実現する。
【解決手段】少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶(10)であって、前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能する。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要

ダイヤモンド単結晶中のNVセンターは、量子ビットとして室温で作用することが知られている。

窒素“原子”イオンをダイヤモンド単結晶中にイオン注入法で注入すると1量子ビットとして作用するNVセンター(以下、「シングルNVセンター」とも称する。)を形成することができる(非特許文献1)。ダイヤモンド単結晶中に注入された窒素原子イオンは、ストラッグリングと称されるランダムな現象により分布するため、停止位置の精密な制御が困難である。

2量子ビットとして作用するNVセンター(以下、「ダブルNVセンター」とも称する。)をダイヤモンド単結晶中に形成するには、互いに相互作用する2つのNVセンターをナノメートルオーダーの範囲に形成しなければならない(非特許文献2~5)。しかし、上述したストラッグリングに起因するダイヤモンド単結晶中での窒素原子の停止位置の不確実性が問題となる。このため、ストラッグリングの影響を抑えるために低エネルギのイオン注入が採用される。窒素原子イオンのダイヤモンド単結晶中での停止位置を制御するには、窒素原子イオンの入射位置も重要な要素となる。ダイヤモンド単結晶表面において、可能な限り同じ位置での窒素原子イオンの注入が求められる。かかる問題を克服するために、以下の2つの手法が用いられることが多い。

1つ目の手法としては、電子線描画法で穴を開けたレジストマスクをダイヤモンド単結晶表面に配置し、当該穴が開いたレジストマスク越しに窒素原子イオンを照射する方法が採用される(図1参照)。電子線描画法でレジストマスクに開けることができる最も小さい穴の直径は、数ナノ~数十ナノメートルが一般的である。ナノメートルオーダーでの停止位置の精密な制御を目的としているところ、入射位置が数十ナノメートルに渡って広がっているのは好ましくなく、ダブルNVセンターが生成される確率は低くならざるを得ない。

上記1つ目の手法の欠点を克服するため2つ目の手法として、注入材料として窒素“分子”イオンを用いる方法がある。窒素分子イオンをダイヤモンド単結晶中にイオン注入法で注入すると、ダイヤモンド単結晶表面に衝突した瞬間に窒素分子が2つの窒素原子に分かれる。その後、各窒素原子はダイヤモンド単結晶中を進み、ストラッグリングの範囲で窒素原子が各々停止する。注入時点では2つの窒素原子からなる窒素分子であるため、電子線描画法で開ける穴の大きさが限りなくゼロに近い状態と同様とみなすことができる。注入時点で、ダイヤモンド単結晶表面での入射位置を精密に制御できる点では、1つ目の手法より優れている。

しかし、上述したいずれの方法も、注入した窒素原子イオンや窒素分子イオンの全てがNVセンターを形成するとは限らず、P1(炭素を置換した窒素)センターなどの他の欠陥を形成することが知られている。形成されるNVセンターの数と、注入した窒素の数の比(以下、「収率」とも称する。)は、注入エネルギが低くなるにしたがって低くなる。したがって、ストラッグリングの影響を抑えるために低エネルギのイオン注入を採用すると、収率が低くなるという問題もある。

上述のような種々の問題に起因して、3量子ビットとして作用するNVセンター(以下、「トリプルNVセンター」とも称する。)以上の多量子ビットとして作用するNVセンターを有するダイヤモンド単結晶は実現されてこなかった。

産業上の利用分野

本発明は、窒素-空孔複合欠陥(以下、「NVセンター」とも称する。)を有するダイヤモンド単結晶、および、NVセンターを有するダイヤモンド単結晶の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶であって、
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能することを特徴とするダイヤモンド単結晶。

【請求項2】
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で、コヒーレンス時間に応じた量子絡み合いが生成される範囲に配置されることを特徴とする、請求項1に記載のダイヤモンド単結晶。

【請求項3】
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、少なくとも3以上の窒素原子イオンを包含する化合物を用いて導入された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項1または2に記載のダイヤモンド単結晶。

【請求項4】
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、少なくとも3以上の窒素原子イオンと1以上の炭素原子イオンとを包含する化合物を用いて形成された窒素原子イオンと空孔と、が対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶。

【請求項5】
前記少なくとも3以上の窒素原子イオンと1以上の炭素原子イオンとを包含する化合物が、13Cを包含し、前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が前記13Cの近位に配置してなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項4に記載のダイヤモンド単結晶。

【請求項6】
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、1以上のCイオン(nは任意の自然数)またはその量体を用いて形成された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶。

【請求項7】
少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶の製造方法であって、化合物をダイヤモンド単結晶に対してイオン注入するステップを有し、前記化合物が、少なくとも3以上の窒素原子イオンを包含し、多量子ビットとして作用する少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥をダイヤモンド単結晶内に生成させることを特徴とするダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項8】
前記化合物が、少なくとも3以上の窒素原子イオンと1以上の炭素原子イオンとを包含する化合物であることを特徴とする請求項7に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項9】
前記化合物が、13Cを包含し、前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥を前記13Cの近位に生成させることを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項10】
前記化合物が、1以上のCイオン(nは任意の自然数)またはその量体を包含する化合物であることを特徴とする請求項7から9のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項11】
前記イオン注入するステップが、1keV以上18000keV以下のイオン注入エネルギにより実施されることを特徴とする請求項7から10のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項12】
前記イオン注入するステップが、窒素原子イオン相当で7.7keV以上10keV以下のイオン注入エネルギにより実施され、
前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で互いに10ナノメートルの範囲に配置されることを特徴とする請求項7から11のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項13】
前記イオン注入するステップに次いで、前記ダイヤモンド単結晶をアニーリングするステップを更に有し、
前記アニーリングするステップが、800℃以上1200℃以下の温度範囲で、1時間以上10時間以下で実施されることを特徴とする請求項7から12のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。

【請求項14】
請求項1~6のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子ゲート装置。

【請求項15】
請求項5に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記13Cの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能することを特徴とする請求項14に記載の量子ゲート装置。

【請求項16】
請求項1~6のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。

【請求項17】
請求項5に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記13Cの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能することを特徴とする請求項16に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。

【請求項18】
請求項1~6のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子中継器。

【請求項19】
請求項1~6のいずれか1項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも3つの窒素-空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子センサ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018155987thum.jpg
出願権利状態 公開


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