JP2014516905A - ダイヤモンドセンサー、検出器および量子デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
シリコン含有欠陥、例えば、シリコン空孔欠陥(Si−V)、シリコン二空孔欠陥(Si−V2)、シリコン空孔−水素欠陥(Si−V:H)、シリコン二空孔水素欠陥(Si−V2:H)など、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥、ならびに窒素含有欠陥、例えば、窒素空孔欠陥(N−V)、二窒素空孔欠陥(N−V−N)および窒素空孔−水素欠陥(N−V−H)などを含めた多くの点欠陥が、合成ダイヤモンド材料において研究されている。これらの欠陥は一般に、中性荷電状態または負荷電状態で見つかる。これらの点欠陥は、1個を超える結晶格子点にわたって延在することに留意されたい。用語の点欠陥は、本明細書において、このような欠陥を包含するが、10個以上の格子点にわたって延在するものなどのより大きいクラスター欠陥、または多くの格子点にわたって延在し得る転位などの拡張欠陥を含まないことが意図されている。
(i)その電子スピン状態は、極めて長いコヒーレンス時間(これは、横緩和時間T2および/またはT2 *を使用して定量化および比較することができる)のために、高い忠実度でコヒーレントにマニピュレートすることができる;
(ii)その電子構造により、欠陥が光学的にポンピングされてその電子基底状態になることが可能になり、このような欠陥を、非極低温度においてでも、特定の電子スピン状態中に置くことが可能になる。これにより、コンパクト化が望まれるある特定の用途について、高価でかさ高い低温冷却装置の必要をなくすことができる。さらに、欠陥は、すべて同じスピン状態を有する光子の源として機能し得る;ならびに
(iii)その電子構造は、欠陥の電子スピン状態を、光子によって読み取ることを可能にする発光性および非発光性電子スピン状態を含む。これは、磁気測定、スピン共鳴分光法およびスピン共鳴イメージングなどのセンシング用途で使用される合成ダイヤモンド材料から情報を読み取るのに好都合である。さらに、これは、長距離量子通信およびスケーラブルな量子計算のための量子ビットとしてNV-欠陥を使用することに向けての重要な要因である。このような結果により、NV-欠陥が固体状態量子情報処理(QIP)の競争力のある候補になる。
国際公開第2010010352号では、単結晶合成CVDダイヤモンド材料が調製される条件を慎重に制御することによって、非常に高い化学的純度と非常に高い同位体純度を兼ね備える合成ダイヤモンド材料を提供することが可能であることが開示されている。CVDプロセスで使用される材料の化学的純度および同位体純度の両方を制御することによって、量子スピン欠陥のホストとして使用するのに特に適した合成ダイヤモンド材料を得ることが可能である。このような材料が量子スピン欠陥のホストとして使用される場合、長いデコヒーレンス時間が室温で得られ、デバイスへの読み書きに使用される光学遷移の周波数は、安定である。低窒素濃度および低濃度の13Cを有する合成ダイヤモンド材料の層が開示されている。合成ダイヤモンド材料の層は、非常に低い不純物レベル、および非常に低い関連した点欠陥レベルを有する。さらに、合成ダイヤモンド材料の層は、その光吸収が本質的に完全なダイヤモンド格子の光吸収である、成長温度に関連した熱力学値に十分近い、低転位密度、低歪み、ならびに空孔および自己格子間密度を有する。
弱い発光の問題は、材料中に多数の発光種が存在するように、量子スピン欠陥の数を増やすことによってある程度軽減することができる。負に帯電した欠陥を形成するには、窒素またはリンなどの電子ドナーが必要である。したがって、負に帯電した欠陥の数を増やすために、材料中の電子ドナーの濃度を増大させることができる。しかし、このような電子ドナーは、負に帯電した量子スピン欠陥と双極子カップリングを引き起こし、負電荷量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を短くする場合がある。したがって、解決されるべき問題は、負に帯電した量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を過度に短くすることなく、負に帯電した量子スピン欠陥の数を増やす方法になる。あるいは、ある特定の用途については、相対的に少ない負に帯電した量子スピン欠陥を有することが望ましい場合があるが、この場合、各負に帯電した量子スピン欠陥は、非常に長いデコヒーレンス時間を有する。このとき、問題は、欠陥を形成するのに必要とされる電子ドナーがデコヒーレンス時間を過度に短くしないことを保証しながら、負に帯電した量子スピン欠陥を形成する方法である。
複数の電子ドナー欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域と、
複数の量子スピン欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域と、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第3領域であって、第1領域および第2領域が第3領域によって相隔たっているように第1領域と第2領域との間に配置された、第3領域と
を含み、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域および第3領域は、合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域より低い濃度の電子ドナー欠陥を有し、
第1領域と第2領域は、十分遠く離れていなければ、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の複数の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を過度に短縮し、かつ/または複数の量子スピン欠陥のスペクトル線幅の歪み広がりを生じさせる、第1領域と第2領域との間の他のカップリング相互作用を低減するように十分遠くに離れていながら、電子が合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域から合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域に供与されることが可能になるように十分近い、10nm〜100μmの範囲内の距離によって相隔たっており、こうして、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の負に帯電した量子スピン欠陥および合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域内の正に帯電した欠陥を形成する、合成単結晶ダイヤモンド材料を提供する。
本発明の第3の態様によれば、センシングデバイス、検出デバイスまたは量子スピンデバイスで使用するための合成ダイヤモンドデバイスコンポーネントであって、上述した合成単結晶ダイヤモンド材料から形成されるデバイスコンポーネントが提供される。
本発明の第4の態様によれば、上述したデバイスコンポーネントを備えるデバイスが提供される。このデバイスは、単結晶合成ダイヤモンド材料の第2領域内の複数の量子スピン欠陥の1つまたは複数を光学的にポンピングするための光源を備えることができる。
本発明をより良好に理解するため、および本発明をどのように実行に移すかを示すために、次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら、単に例として説明する。
図3(a)は、3つの層構造を含む層状合成単結晶ダイヤモンド材料を示す。この層状構造は、層が共通の結晶格子を共有するように、合成ダイヤモンド材料の単結晶中に全体に形成することができる。第1層2は、複数の電子ドナー欠陥を含む。第2層4は、複数の量子スピン欠陥を含む。第3層6は、第1層2および第2層4が、10nm〜100μmの範囲内の距離によって相隔たっているように、第1層2と第2層4の間に配置されている。この距離は、電子が第1層2から第2層4に供与され、こうして第2層4内に負に帯電した量子スピン欠陥を形成するのが可能になるように選択される。さらに、第1層2と第2層4の間の距離は、第1層2内の電子ドナー欠陥と第2層4内の量子スピン欠陥との間の双極子カップリングが低いことを保証するように選択される。これにより、第2層4内の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間が長く、第2層4内の量子スピン欠陥からのスペクトル線発光の歪み広がりが少ないことが保証される。第2層4は、第1層2より低い濃度の電子ドナー欠陥を有する。これにより、第2層4内の電子ドナー欠陥に起因する量子スピン欠陥のデコヒーレンス短縮およびスペクトル線広幅化が相対的に低いことが保証される。さらに、第3層6は、第1層2より低い濃度の電子ドナー欠陥、および第2層4より低い濃度の量子スピン欠陥を有する。やはりこれにより、第3層6内の欠陥に起因する第2層4内の量子スピン欠陥のデコヒーレンス短縮およびスペクトル線広幅化が相対的に低いことが保証される。
図3(c)は、図3(a)に例示した層状構造のさらに別の変形を示す。この層状構造は、図3(b)に関して記載した層2、4、6、8、20を含む。さらに、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド材料12のさらなる層が施されて、半導電性層または完全に金属の導電層が形成される。電荷は、この追加の層を通過することができ、層4内の量子スピン欠陥の状態を電気的に制御するのに使用することができる。あるいは、量子スピン欠陥の状態を電気的に制御するのに、異なる表面終端を利用することができる。こうして、ダイヤモンド材料内の電子空間分布を、材料にエネルギーを印加することによって、例えば、電場によって制御して、電子ドナー欠陥から量子スピン欠陥に電子を供与させることができる。
欠陥は、ダイヤモンド合成の間に、材料中に成長するのではなく、層の1つまたは複数を形成するためにダイヤモンド材料中に注入することができる。例えば、不純物原子、例えば、窒素、リン、およびシリコンなどをダイヤモンド材料中に注入するための技法が公知である。したがって、先に述べた例の代替案では、中間層24と同様の様式で低窒素プロセスガスを用いて最上層26を成長させ、次いで、照射および/またはアニーリングステップの後に、窒素原子などの不純物原子を最上層26内に注入して量子スピン欠陥を形成することができる。
上述の実施形態では、量子スピン欠陥としてNV-欠陥の形成が記載されているが、他の欠陥も使用することができる。シリコン含有欠陥、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥、および窒素含有欠陥を含めて、様々な点欠陥がダイヤモンド材料において公知である。好適な実施形態は、背景技術の節に記載したように、窒素含有NV-欠陥の有利な性質のために、この欠陥を利用することが想定されているが、本発明のある特定の実施形態は、センシング、検出、および量子処理用途に適した他の種類の負に帯電した欠陥に適用可能であり得ることも想定されている。
量子スピン欠陥は、100nm以下、80nm以下、50nm以下、20nm以下または10nm以下の単結晶合成ダイヤモンド材料の表面からの距離に適所配置することができる。点欠陥は、表面に隣接する磁場または電場の変化に対する感度を増大させるために、表面の近くに適所配置されることが有利であり得る。
1)基板材料品質に固有のもの。選択された天然ダイヤモンド中では、これらの欠陥の密度は、50/mm2という低いものであり得、より一般的な値は102/mm2であるが、他のダイヤモンド中では、これは、106/mm2以上であり得る。
2)転位構造、および研磨ラインに沿ってびびり跡を形成する微小クラックを含めた、研磨から生じるもの。これらの密度は、試料にわたって相当に変化する場合があり、一般的な値は、約102/mm2から、不十分に研磨された領域または試料中の最大104/mm2超の範囲である。
欠陥の好適な低密度は、欠陥に関連した表面エッチングフィーチャーの密度が、5×103/mm2未満、より好ましくは102/mm2未満であるようなものである。顕現化プラズマエッチングでは、表面および表面直下に欠陥が露出されるので、低い表面粗さを有するように単に表面を研磨することは、これらの基準を必ずしも満たさないことに留意されるべきである。さらに、顕現化プラズマエッチングは、単純な研磨によって除去され得る微小クラックおよび表面特徴などの表面欠陥に加えて、転位などの内因性欠陥を顕現化することができる。
(i)少量のArを含んでもよく、要求される少量のO2を含む、大部分は水素を使用する酸素エッチング。一般的な酸素エッチング条件は、基板温度600〜1100℃(より一般的には、800℃)および3〜60分の一般的な継続時間とともに、50〜450×102Paの圧力、百分率がすべて体積によるもので、1〜4%の酸素含量、0〜30%のアルゴン含量、および残りの水素を含有するエッチングガスである。
(ii)(i)と同様であるが、酸素が存在しない水素エッチング。
(iii)アルゴン、水素および酸素のみに基づかないエッチングの代替法、例えば、ハロゲン、他の不活性ガス、または窒素を利用するものを使用することができる。
CVD成長プロセスでは、高い化学的純度に加えて高い同位体純度の原料ガスを使用してもよい。例えば、炭素原料ガスは、99%以上、99.3%以上、99.6%以上、99.9%以上、99.99%以上または99.999%以上であるように増やされた12Cフラクションを有することができる。これにより、単一光子エミッターのデコヒーレンス時間をさらに延ばすことができるが、天然存在度の12Cを使用することができることも想定されている。
先に記載した合成ダイヤモンドデバイスコンポーネントは、ダイヤモンド量子デバイスを形成するのに使用することができる。このようなデバイスの例を図5に例示する。量子デバイス50は、先に記載した層状単結晶合成ダイヤモンド材料52から形成されるダイヤモンド量子コンポーネント52を備える。この量子デバイスは、層52内で複数の量子スピン欠陥の1つまたは複数を光学的にポンピングするための光源56も備える。
図6に示したダイヤモンド量子デバイス60は、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント62が、発光性NV-欠陥からの光出力を増大させるためのアウトカップリング構造68を有するように形成されていることにおいて、図5に示したものと異なる。例示した仕組みでは、単結晶CVD合成ダイヤモンドコンポーネント60は、成形されてソリッドイマージョンレンズになっている。このレンズは、先に記載した層状量子グレード材料から完全に形成することができ、または層状量子グレード材料が配置された複合構造物とすることができる。例えば、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント62は、層状量子グレード材料を含む合成CVDダイヤモンド材料の単結晶、およびより低いグレードの材料の1つまたは複数のさらなる層から構成することができる。
このデバイス構成では、ms=±1状態への電子遷移をもたらすNV-欠陥のいずれの摂動も、後に検出器78によって検出され得る蛍光発光の低減をもたらすことになる。
このデバイス構成では、ダイヤモンド量子デバイスは、磁力計として機能することができ、マイクロ波発振器89は、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント82内の複数の量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするための一連のマイクロ波周波数をスキャンするように構成されている。ある特定の周波数において、NV-欠陥は、ms=0からms=±1状態に電子遷移し、NV-欠陥からの蛍光発光が減少する。この遷移が起こる周波数は、外部磁場または電場によって摂動を受けるms=±1状態のエネルギー準位に依存することになる。したがって、蛍光発光の減少が起こる周波数を、外部磁場または電場を測定するのに使用することができる。
あるいは、図8に例示したダイヤモンド量子デバイスは、量子情報処理デバイスとして機能するように構成することができる。このような仕組みでは、マイクロ波発振器89は、複数の量子スピン欠陥に情報を書き込むために、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネント内の複数の量子スピン欠陥を選択的にマニピュレートするように構成することができ、検出器88は、複数の量子スピン欠陥から情報を読み取るために、複数の量子スピン欠陥の1つまたは複数を選択的にアドレッシングするように構成することができる。
先に記載した量子デバイスは、流体試料を受け取るためのマイクロ流体チャネルを備え、単結晶合成ダイヤモンドコンポーネントがマイクロ流体チャネルに隣接して位置したマイクロ流体デバイスであるように構成することができる。このような仕組みでは、マイクロ流体チャネル、および量子センサーとして作用する単結晶合成ダイヤモンドコンポーネントを一体化して、図10に例示したものなどのマイクロ流体セルにすることができる。
マイクロ流体チャネルは、1mm以下の、さらに特に、100nm〜1mmの範囲内の、500nm〜500μmの範囲内でもよい少なくとも1つの寸法を有することが好ましい。マイクロ流体チャネルのサイズは、ある特定の化学種に選択的であるように選ぶことができる。1つを超えるチャネルを準備してもよい。異なるチャネルは、化学種のサイズの差異に基づいて異なる化学種に選択的であるように、異なるサイズを有することができる。
代替の仕組みでは、先に記載した磁場発生器は、電場発生器と取り替えることができる。NV-欠陥の電子構造は、本発明の実施形態が、磁場の代替として、または磁場に加えて電場を測定するのに使用することもできるようなものである。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 複数の電子ドナー欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域と、
複数の量子スピン欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域と、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第3領域であって、第1領域および第2領域が第3領域によって相隔たっているように第1領域と第2領域との間に配置された、第3領域と
を含み、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域および第3領域は、合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域より低い濃度の電子ドナー欠陥を有し、
第1領域と第2領域は、十分遠く離れていなければ、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の複数の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を過度に短縮し、かつ/または複数の量子スピン欠陥のスペクトル線幅の歪み広がりを生じさせる、第1領域と第2領域との間の他のカップリング相互作用を低減するように十分遠くに離れていながら、電子が合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域から合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域に供与されることが可能になるように十分近い、10nm〜100μmの範囲内の距離によって相隔たっており、こうして、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の負に帯電した量子スピン欠陥および合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域内の正に帯電した欠陥を形成する、合成単結晶ダイヤモンド材料。
2. 第3領域が、第2領域より低い濃度の量子スピン欠陥を有する、上記1に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
3. 第1、第2および第3領域が層の形態である、上記1または2に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
4. 第1、第2および第3領域が、1つの単層内に配置されている、上記1または2に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
5. 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域に向かって減少する、上記1から4までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
6. 第3領域が、第2領域に隣接する第1領域の一部によって形成される、上記1から5までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
7. 第3領域が第2領域の一部によって形成され、第2および第3領域が光学アドレッシングの管理によって画定され、それによって使用の際に、10nm〜100μmの範囲内の距離によって第1領域と相隔たった第2領域の一部が光学的にアドレッシングされる、上記1から5までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
8. 量子スピン欠陥が、負に帯電したシリコン含有欠陥、負に帯電したニッケル含有欠陥、負に帯電したクロム含有欠陥、および負に帯電した窒素含有欠陥の1つまたは複数を含む、上記1から7までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
9. 量子スピン欠陥が、負に帯電した窒素空孔欠陥(NV - )である、上記1から8までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
10. 電子ドナー欠陥が、窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を含む、上記1から9までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
11. 第1領域が、10nm以上、100nm以上、5μm以上、50μm以上、100μm以上または500μm以上の厚さを有する、上記1から10までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
12. 第1領域が、2mm以下または1mm以下の厚さを有する、上記1から11までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
13. 第1領域が、合成CVD(化学蒸着)または合成HPHT(高圧高温)ダイヤモンド材料から形成される、上記1から12までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
14. 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、1×10 16 欠陥/cm 3 以上、5×10 16 欠陥/cm 3 以上、1×10 17 欠陥/cm 3 以上、5×10 17 欠陥/cm 3 以上、1×10 18 欠陥/cm 3 以上、5×10 18 欠陥/cm 3 以上、1×10 19 欠陥/cm 3 以上、または2×10 19 欠陥/cm 3 以上である、上記1から13までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
15. 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、10 22 欠陥/cm 3 以下、10 21 欠陥/cm 3 以下、または10 20 欠陥/cm 3 以下である、上記1から14までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
16. 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域内の量子スピン欠陥の濃度より、少なくとも2、4、8、10、100または1000倍高い、上記1から15までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
17. 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域内の電子ドナー欠陥の濃度より、少なくとも2、4、8、10、100または1000倍高い、上記1から16までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
18. 第2領域内の量子スピン欠陥の少なくとも30%、40%、50%、60%、70%、80%または90%が負に帯電している、上記1から17までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
19. 第2領域が、1nm以上、5nm以上、10nm以上、50nm以上、100nm以上、500nm以上または1μm以上の厚さを有する、上記1から18までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
20. 第2領域が、100μm以下、80μm以下、60μm以下、40μm以下、20μm以下または10μm以下の厚さを有する、上記1から19までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
21. 第2領域内の量子スピン欠陥の濃度が、1×10 11 欠陥/cm 3 以上、1×10 12 欠陥/cm 3 以上、1×10 13 欠陥/cm 3 以上、1×10 14 欠陥/cm 3 以上、1×10 15 欠陥/cm 3 以上、1×10 16 欠陥/cm 3 以上、1×10 17 欠陥/cm 3 以上、1×10 18 欠陥/cm 3 以上である、上記1から20までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
22. 第2領域内の量子スピン欠陥の濃度が、4×10 18 欠陥/cm 3 以下、2×10 18 欠陥/cm 3 以下、1×10 18 欠陥/cm 3 以下、1×10 17 欠陥/cm 3 以下、または1×10 16 欠陥/cm 3 以下である、上記1から21までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
23. 窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を単独でまたは組み合わせて含む第2領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、1×10 17 欠陥/cm 3 以下、1×10 16 欠陥/cm 3 以下、5×10 15 欠陥/cm 3 以下、1×10 15 欠陥/cm 3 以下、5×10 14 欠陥/cm 3 以下、1×10 14 欠陥/cm 3 以下、または5×10 13 欠陥/cm 3 以下である、上記1から22までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
24. 第2領域の主面に垂直な方向内の第2領域の複屈折が、5×10 -5 以下、1×10 -5 以下、5×10 -6 以下、または1×10 -6 以下であり得る、上記1から23までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
25. 量子スピン欠陥が、400μs以下、200μs以下、150μs以下、100μs以下、75μs以下、50μs以下、20μs以下または1μs以下の対応するT 2 * 値とともに、0.05ms以上、0.1ms以上、0.3ms以上、0.6ms以上、1ms以上、5ms以上または15ms以上のデコヒーレンス時間T 2 を有する、上記1から24までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
26. 第3領域が、50nm以上、100nm以上、500nm以上、1μm以上、10μm以上または20μm以上の厚さを有する、上記1から25までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
27. 第3領域が、80μm以下、60μm以下、40μm以下または30μm以下の厚さを有する、上記1から26までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
28. 第3領域が、1×10 17 欠陥/cm 3 以下、1×10 16 欠陥/cm 3 以下、5×10 15 欠陥/cm 3 以下、1×10 15 欠陥/cm 3 以下、5×10 14 欠陥/cm 3 以下、1×10 14 欠陥/cm 3 以下、または5×10 13 欠陥/cm 3 以下である、窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を単独でまたは組み合わせて含む電子ドナー欠陥の濃度を有する、上記1から27までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
29. 第3領域が、1×10 14 欠陥/cm 3 以下、1×10 13 欠陥/cm 3 以下、1×10 12 欠陥/cm 3 以下、1×10 11 欠陥/cm 3 以下、または1×10 10 欠陥/cm 3 以下の量子スピン欠陥の濃度を有する、上記1から28までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
30. 上記1から29までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料を含む、デバイスコンポーネント。
31. アウトカップリング構造が、光のアウトカップリングを増大させるために合成単結晶ダイヤモンド材料の表面で形成される、上記30に記載のデバイスコンポーネント。
32. アウトカップリング構造が、合成単結晶ダイヤモンド材料の表面内に形成され、それによって、アウトカップリング構造が、合成単結晶ダイヤモンド材料の表面によって一体的に形成される、上記31に記載のデバイスコンポーネント。
33. アウトカップリング構造が、凸面表面、マイクロレンズアレイ、ソリッドイマージョンレンズ(SIL)、複数の表面くぼみまたはナノ構造、回折格子、フレネルレンズ、および反射防止膜などの皮膜の1つまたは複数を含む、上記31または32に記載のデバイスコンポーネント。
34. 上記30から33までのいずれか1項に記載のデバイスコンポーネントと、
合成単結晶ダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥の1つまたは複数を光学的にポンピングするための光源と
を備えるデバイス。
35. 合成単結晶ダイヤモンド材料中の1つまたは複数の緩和中の量子スピン欠陥からの発光を検出するための検出器をさらに備える、上記34に記載のデバイス。
36. 合成単結晶ダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするためのマイクロ波発振器をさらに備える、上記34または35に記載のデバイス。
37. デバイスが磁力計であり、マイクロ波発振器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするために一連のマイクロ波周波数をスキャンするように構成されている、上記35または36に記載のデバイス。
38. デバイスがスピン共鳴装置であり、マイクロ波発振器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするために一連のマイクロ波周波数をスキャンするように構成されており、スピン共鳴装置が、合成単結晶ダイヤモンド材料に隣接して配置された試料内の量子スピンをマニピュレートするために一連の周波数をスキャンするように構成された無線周波数またはマイクロ波周波数発生器をさらに備える、上記35または36に記載のデバイス。
39. スピン共鳴装置が、流体試料を受け取るためのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体デバイスであり、単結晶合成CVDダイヤモンド材料がマイクロ流体チャネルに隣接して位置している、上記38に記載のデバイス。
40. スピン共鳴装置がスピン共鳴イメージング装置であり、検出器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥からの発光を空間的に分解してスピン共鳴画像を形成するように構成されている、上記38または39に記載のデバイス。
41. デバイスが量子情報処理デバイスである、上記34に記載のデバイス。
42. マイクロ波発振器が、前記量子スピン欠陥に情報を書き込むために、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥を選択的にマニピュレートするように構成され、検出器が、前記量子スピン欠陥から情報を読み取るために、前記量子スピン欠陥の1つまたは複数を選択的にアドレッシングするように構成されている、上記35、36または41に記載のデバイス。
43. 上記1から29までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料を製造する方法であって、第1、第2および第3領域は、異なるダイヤモンド合成条件、合成後の欠陥注入、合成後の照射、合成後のアニーリング、および光学アドレッシングの管理の1つまたは複数によって画定される、方法。
Claims (43)
- 複数の電子ドナー欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域と、
複数の量子スピン欠陥を含む合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域と、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第3領域であって、第1領域および第2領域が第3領域によって相隔たっているように第1領域と第2領域との間に配置された、第3領域と
を含み、
合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域および第3領域は、合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域より低い濃度の電子ドナー欠陥を有し、
第1領域と第2領域は、十分遠く離れていなければ、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の複数の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を過度に短縮し、かつ/または複数の量子スピン欠陥のスペクトル線幅の歪み広がりを生じさせる、第1領域と第2領域との間の他のカップリング相互作用を低減するように十分遠くに離れていながら、電子が合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域から合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域に供与されることが可能になるように十分近い、10nm〜100μmの範囲内の距離によって相隔たっており、こうして、合成単結晶ダイヤモンド材料の第2領域内の負に帯電した量子スピン欠陥および合成単結晶ダイヤモンド材料の第1領域内の正に帯電した欠陥を形成する、合成単結晶ダイヤモンド材料。 - 第3領域が、第2領域より低い濃度の量子スピン欠陥を有する、請求項1に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1、第2および第3領域が層の形態である、請求項1または2に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1、第2および第3領域が、1つの単層内に配置されている、請求項1または2に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域に向かって減少する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が、第2領域に隣接する第1領域の一部によって形成される、請求項1から5までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が第2領域の一部によって形成され、第2および第3領域が光学アドレッシングの管理によって画定され、それによって使用の際に、10nm〜100μmの範囲内の距離によって第1領域と相隔たった第2領域の一部が光学的にアドレッシングされる、請求項1から5までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 量子スピン欠陥が、負に帯電したシリコン含有欠陥、負に帯電したニッケル含有欠陥、負に帯電したクロム含有欠陥、および負に帯電した窒素含有欠陥の1つまたは複数を含む、請求項1から7までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 量子スピン欠陥が、負に帯電した窒素空孔欠陥(NV-)である、請求項1から8までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 電子ドナー欠陥が、窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を含む、請求項1から9までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域が、10nm以上、100nm以上、5μm以上、50μm以上、100μm以上または500μm以上の厚さを有する、請求項1から10までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域が、2mm以下または1mm以下の厚さを有する、請求項1から11までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域が、合成CVD(化学蒸着)または合成HPHT(高圧高温)ダイヤモンド材料から形成される、請求項1から12までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、1×1016欠陥/cm3以上、5×1016欠陥/cm3以上、1×1017欠陥/cm3以上、5×1017欠陥/cm3以上、1×1018欠陥/cm3以上、5×1018欠陥/cm3以上、1×1019欠陥/cm3以上、または2×1019欠陥/cm3以上である、請求項1から13までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、1022欠陥/cm3以下、1021欠陥/cm3以下、または1020欠陥/cm3以下である、請求項1から14までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域内の量子スピン欠陥の濃度より、少なくとも2、4、8、10、100または1000倍高い、請求項1から15までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第1領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、第2領域内の電子ドナー欠陥の濃度より、少なくとも2、4、8、10、100または1000倍高い、請求項1から16までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域内の量子スピン欠陥の少なくとも30%、40%、50%、60%、70%、80%または90%が負に帯電している、請求項1から17までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域が、1nm以上、5nm以上、10nm以上、50nm以上、100nm以上、500nm以上または1μm以上の厚さを有する、請求項1から18までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域が、100μm以下、80μm以下、60μm以下、40μm以下、20μm以下または10μm以下の厚さを有する、請求項1から19までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域内の量子スピン欠陥の濃度が、1×1011欠陥/cm3以上、1×1012欠陥/cm3以上、1×1013欠陥/cm3以上、1×1014欠陥/cm3以上、1×1015欠陥/cm3以上、1×1016欠陥/cm3以上、1×1017欠陥/cm3以上、1×1018欠陥/cm3以上である、請求項1から20までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域内の量子スピン欠陥の濃度が、4×1018欠陥/cm3以下、2×1018欠陥/cm3以下、1×1018欠陥/cm3以下、1×1017欠陥/cm3以下、または1×1016欠陥/cm3以下である、請求項1から21までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を単独でまたは組み合わせて含む第2領域内の電子ドナー欠陥の濃度が、1×1017欠陥/cm3以下、1×1016欠陥/cm3以下、5×1015欠陥/cm3以下、1×1015欠陥/cm3以下、5×1014欠陥/cm3以下、1×1014欠陥/cm3以下、または5×1013欠陥/cm3以下である、請求項1から22までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第2領域の主面に垂直な方向内の第2領域の複屈折が、5×10-5以下、1×10-5以下、5×10-6以下、または1×10-6以下であり得る、請求項1から23までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 量子スピン欠陥が、400μs以下、200μs以下、150μs以下、100μs以下、75μs以下、50μs以下、20μs以下または1μs以下の対応するT2 *値とともに、0.05ms以上、0.1ms以上、0.3ms以上、0.6ms以上、1ms以上、5ms以上または15ms以上のデコヒーレンス時間T2を有する、請求項1から24までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が、50nm以上、100nm以上、500nm以上、1μm以上、10μm以上または20μm以上の厚さを有する、請求項1から25までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が、80μm以下、60μm以下、40μm以下または30μm以下の厚さを有する、請求項1から26までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が、1×1017欠陥/cm3以下、1×1016欠陥/cm3以下、5×1015欠陥/cm3以下、1×1015欠陥/cm3以下、5×1014欠陥/cm3以下、1×1014欠陥/cm3以下、または5×1013欠陥/cm3以下である、窒素、リンおよびシリコンの1つまたは複数を単独でまたは組み合わせて含む電子ドナー欠陥の濃度を有する、請求項1から27までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 第3領域が、1×1014欠陥/cm3以下、1×1013欠陥/cm3以下、1×1012欠陥/cm3以下、1×1011欠陥/cm3以下、または1×1010欠陥/cm3以下の量子スピン欠陥の濃度を有する、請求項1から28までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料。
- 請求項1から29までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料を含む、デバイスコンポーネント。
- アウトカップリング構造が、光のアウトカップリングを増大させるために合成単結晶ダイヤモンド材料の表面で形成される、請求項30に記載のデバイスコンポーネント。
- アウトカップリング構造が、合成単結晶ダイヤモンド材料の表面内に形成され、それによって、アウトカップリング構造が、合成単結晶ダイヤモンド材料の表面によって一体的に形成される、請求項31に記載のデバイスコンポーネント。
- アウトカップリング構造が、凸面表面、マイクロレンズアレイ、ソリッドイマージョンレンズ(SIL)、複数の表面くぼみまたはナノ構造、回折格子、フレネルレンズ、および反射防止膜などの皮膜の1つまたは複数を含む、請求項31または32に記載のデバイスコンポーネント。
- 請求項30から33までのいずれか1項に記載のデバイスコンポーネントと、
合成単結晶ダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥の1つまたは複数を光学的にポンピングするための光源と
を備えるデバイス。 - 合成単結晶ダイヤモンド材料中の1つまたは複数の緩和中の量子スピン欠陥からの発光を検出するための検出器をさらに備える、請求項34に記載のデバイス。
- 合成単結晶ダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするためのマイクロ波発振器をさらに備える、請求項34または35に記載のデバイス。
- デバイスが磁力計であり、マイクロ波発振器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするために一連のマイクロ波周波数をスキャンするように構成されている、請求項35または36に記載のデバイス。
- デバイスがスピン共鳴装置であり、マイクロ波発振器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥の1つまたは複数をマニピュレートするために一連のマイクロ波周波数をスキャンするように構成されており、スピン共鳴装置が、合成単結晶ダイヤモンド材料に隣接して配置された試料内の量子スピンをマニピュレートするために一連の周波数をスキャンするように構成された無線周波数またはマイクロ波周波数発生器をさらに備える、請求項35または36に記載のデバイス。
- スピン共鳴装置が、流体試料を受け取るためのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体デバイスであり、単結晶合成CVDダイヤモンド材料がマイクロ流体チャネルに隣接して位置している、請求項38に記載のデバイス。
- スピン共鳴装置がスピン共鳴イメージング装置であり、検出器が、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥からの発光を空間的に分解してスピン共鳴画像を形成するように構成されている、請求項38または39に記載のデバイス。
- デバイスが量子情報処理デバイスである、請求項34に記載のデバイス。
- マイクロ波発振器が、前記量子スピン欠陥に情報を書き込むために、合成単結晶ダイヤモンド材料中の前記量子スピン欠陥を選択的にマニピュレートするように構成され、検出器が、前記量子スピン欠陥から情報を読み取るために、前記量子スピン欠陥の1つまたは複数を選択的にアドレッシングするように構成されている、請求項35、36または41に記載のデバイス。
- 請求項1から29までのいずれか1項に記載の合成単結晶ダイヤモンド材料を製造する方法であって、第1、第2および第3領域は、異なるダイヤモンド合成条件、合成後の欠陥注入、合成後の照射、合成後のアニーリング、および光学アドレッシングの管理の1つまたは複数によって画定される、方法。
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