具体的には、まず「自由誘導減衰信号計測」を実施。光励起(532nm)照射によりスピンが初期化され、続いて90度マイクロ波パルスによりスピンコヒーレンスが生成され、τ秒後の90度マイクロ波パルスによりコヒーレンスが分極に移され、その後、光読み出しが行われる。その後、自由誘導減衰信号計測が繰り返され、その信号(磁場)強度に応じてスピンコヒーレンスの位相の変化が測定、信号(磁場)強度の計測となるとのことで、信号(磁場)をオシロスコープで観測するように測定することが可能なことが特徴だという。

  • 量子ヘテロダイン法を用いたNV量子センサ内蔵装置のイメージ

    量子ヘテロダイン法を用いたNV量子センサ内蔵装置のイメージ (出所:京大プレスリリースPDF)

実際に、今回の手法について、感度の周波数依存性を実験および理論的に見積もりが行われたところ、従来技術での結果(シミュレーション結果)は、低周波数側では数百Hzの領域において感度が著しく悪くなった一方、今回の手法の実証実験結果では、1Hzレベルの低周波領域でも感度を維持できていることが確認されたという。また、1個のNV中心を用いた際の実証の結果では、感度としては約10nT/(Hz)1/2が実現することが示されたとする。多数のNV中心を含むアンサンブル系での測定により、さらなる桁違いの高感度化が期待できるとした。

さらに、同手法により、水分子のNMRがNV中心により計測されたところ、最小で1.6Hzの線幅が計測され、これはこれまでの最小値(>10Hz)に比べ細く、NV中心を用いて計測したNMR信号の線幅としては、世界最小級の線幅が実証されたという。

なお、今回の実証実験では、核スピンから生じる磁場が計測されたが、今回考案された手法は、磁場以外にも電場、温度、圧力などの物理量を計測することも可能だと研究チームでは説明するほか、NV中心以外のほかの量子センサでも適用できるという。

また、低磁場NMRで得られる低周波数のNMR信号の計測にも用いることも期待されるとしており、低磁場NMRでは、一般的な高磁場NMRとは異なった情報を与えてくれることから、化学分析や素粒子研究への応用など、幅広い分野での適用が期待されるともしており、今後は、これらの実証実験への展開も行っていくことを検討しているとも述べている。