MITは2019年9月25日、ダイヤモンド量子センサーを統合したミリスケールの量子センサーモジュールを開発したと発表した。このモジュールは、室温で動作し、単体で磁場の方向と大きさを検知できるという。
量子センシング
ダイヤモンドは、窒素を取り込むと隣接位置の1つが空孔になり、窒素空孔（NV）センターと呼ばれる欠陥を形成する。このNVセンターは、周辺環境の変化を敏感に検知してその量子状態を変える。そのため、NVセンターを持つダイヤモンドは、次世代の超高感度センサーとして注目されている。しかし、従来のダイヤモンド量子センサーでは、マイクロ波発生器やレーザー、光やマイクロ波の導波路、センサー、光学フィルターなどの大型の周辺機器を必要とし、それらはキッチンテーブルほどのサイズになっていた。
実用化可能なサイズの量子センサーモジュールを開発
そこで、MITの研究者は、標準的なCMOS技術を用いて、NVセンターの制御と測定に不可欠なマイクロ波発生器、光学フィルター、光検出器を200μm×200μmのフットプリントに統合した量子センサーモジュールを開発した。このモジュールでは、量子状態を検出する光検出磁気共鳴（ODMR）は以下のように機能する。まず、緑色レーザーでNVセンターの量子状態を励起させると、それに伴って電流が発生。その電流に応答してNVセンターへのマイクロ波が掃引される。すると、NVセンターは、そのときの量子状態に応じて複数の赤色光子を放出。その光子は、NVセンターの下方に配置されたフォトダイオードによって検出される。また、ダイヤモンドとフォトダイオードの間には、金属格子が配置されており、ノイズとなる緑色レーザーを吸収する機能もある。
すでに研究者らは、設計を改善して感度を100倍向上させる第2世代のセンサーを国際会議「International Solid-State Circuits Conference」にて発表。また、感度を1000倍高める見通しも立っているという。
研究者らは、この量子センサーモジュールの用途として、脳神経イメージングへの適用を考えており、ニューロンの発火の強度と方向を検出できると説明している。
さらに、この量子センサーモジュールは、磁場を精密に検出できるため、丁寧にマッピングされている地球の磁場と照らし合わせることで、既存のGPSの代替にも使えるとしている。
関連情報
参考リンク
- 量子科学技術研究開発機構「世界最小のダイヤモンド量子センサーの作成に成功－細胞や分子のわずかな変化をとらえる超高感度センサーとして期待－」
- MIT News: Quantum sensing on a chip
- Nature Electronics: A CMOS-integrated quantum sensor based on nitrogen–vacancy centres
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