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JP7645491B2 - Detection device and electromagnetic wave detection method - Google Patents
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JP7645491B2 - Detection device and electromagnetic wave detection method - Google Patents

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Description

特許法第30条第2項適用 予稿集による公開、公開日:令和2年9月27日、掲載アドレス:http://www.ssdm.jp/2020/index.html 学会における公開、学会名:”the 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials”、開催日:令和2年9月29日Application of Article 30, paragraph 2 of the Patent Act Publication by proceedings, publication date: September 27, 2020, publication address: http://www.ssdm.jp/2020/index.html Publication at an academic conference, conference name: "the 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials", held date: September 29, 2020

本発明は、検出装置及び電磁波検出方法に関する。 The present invention relates to a detection device and an electromagnetic wave detection method.

物体の表面あるいは物体から離れた空間における無線周波数(Radio Frequency:RF)信号及び電磁波の分布を可視化する技術が存在する。特許文献1には、複数の磁気抵抗センサを有し、複数の磁気抵抗センサのそれぞれが、経時変化する外部磁場に応答した出力電圧を発生することによって、電磁波の強度分布を可視化するRFセンサシステムが示される。電磁波の強度とは例えば、電場又は磁場の振幅である。 There is a technology that visualizes the distribution of radio frequency (RF) signals and electromagnetic waves on the surface of an object or in a space distant from the object. Patent Document 1 shows an RF sensor system that has multiple magnetoresistive sensors, each of which generates an output voltage in response to an external magnetic field that changes over time, thereby visualizing the intensity distribution of electromagnetic waves. The intensity of electromagnetic waves is, for example, the amplitude of an electric field or a magnetic field.

特開2009-014720号公報JP 2009-014720 A

特許文献1に記載のRFセンサシステムのように、電気的に結合された磁気抵抗センサを配列し各磁気抵抗センサの出力を用いて電磁波の強度を可視化する場合、センサのサイズ及びセンサ間の配列の本数によって、空間分解能と画素数が制限される。空間分解能及び画素数に制限がある場合、微小な対象物からの電磁波の可視化を行うことが難しくなる。さらに、対象物が微小である場合は、電磁波の信号強度が小さいことがあるので、空間分解能に加えて、検出感度を高くする必要がある。加えて、センサ間及びセンサと対象物間の相互干渉の影響が避けられず、相互干渉の影響を補正する方法が煩雑であり、加えて測定精度が低下する。これらの理由により、μmからmmオーダーの高い空間分解能による電磁波強度の可視化は困難であった。 When electrically coupled magnetoresistive sensors are arranged and the intensity of electromagnetic waves is visualized using the output of each magnetoresistive sensor, as in the RF sensor system described in Patent Document 1, the spatial resolution and the number of pixels are limited by the size of the sensor and the number of sensors arranged between them. When the spatial resolution and the number of pixels are limited, it becomes difficult to visualize electromagnetic waves from a tiny object. Furthermore, when the object is tiny, the signal strength of the electromagnetic waves may be small, so in addition to the spatial resolution, it is necessary to increase the detection sensitivity. In addition, the effects of mutual interference between sensors and between the sensor and the object cannot be avoided, and the method of correcting the effects of mutual interference is complicated, and the measurement accuracy decreases. For these reasons, it has been difficult to visualize the intensity of electromagnetic waves with a high spatial resolution on the order of μm to mm.

そこで、本発明は、高い空間分解能及び高い検出感度を有する、電磁波の検出装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an electromagnetic wave detection device with high spatial resolution and high detection sensitivity.

本発明の一態様に係る検出装置は、NV中心を有するダイヤモンド結晶と、所定の供給シーケンスに従って、第1振幅の磁場を有する第1電磁波又は第1振幅とは異なる第2振幅の磁場を有する第2電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、ダイヤモンド結晶に供給する電磁波供給部と、ダイヤモンド結晶に、NV中心を励起するレーザを照射するレーザ照射部と、レーザにより励起されたNV中心から、第1電磁波の第1振幅に応じた第1強度を有する第1蛍光を受光し、レーザにより励起されたNV中心から、第2電磁波の第2振幅に応じた第2強度を有する第2蛍光を受光する受光素子を有し、受光信号として、第1蛍光に基づく第1受光信号及び第2蛍光に基づく第2受光信号を取得する、受光部と、検出信号として、第1受光信号に基づく第1検出信号と第2受光信号に基づく第2検出信号とを生成する検出信号生成部と、第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の分布を示す検出画像を生成する画像生成部と、を備える。 The detection device according to one aspect of the present invention includes a diamond crystal having an NV center, an electromagnetic wave supply unit that supplies the diamond crystal with either a first electromagnetic wave having a magnetic field of a first amplitude or a second electromagnetic wave having a magnetic field of a second amplitude different from the first amplitude according to a predetermined supply sequence, a laser irradiation unit that irradiates the diamond crystal with a laser that excites the NV center, a light receiving element that receives a first fluorescence having a first intensity corresponding to the first amplitude of the first electromagnetic wave from the NV center excited by the laser and receives a second fluorescence having a second intensity corresponding to the second amplitude of the second electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, and obtains a first received light signal based on the first fluorescence and a second received light signal based on the second fluorescence as received light signals, a detection signal generation unit that generates a first detection signal based on the first received light signal and a second detection signal based on the second received light signal as detection signals, and an image generation unit that generates a detection image showing the distribution of an external electromagnetic field incident on the diamond crystal based on the first detection signal and the second detection signal.

上記態様の検出装置では、ダイヤモンド結晶のNV中心に、第1振幅の磁場を有する第1電磁波及び第2振幅の磁場を有する第2電磁波がそれぞれ異なるタイミングで供給される。 In the detection device of the above aspect, a first electromagnetic wave having a magnetic field of a first amplitude and a second electromagnetic wave having a magnetic field of a second amplitude are supplied to the NV center of the diamond crystal at different times.

第1電磁波が供給されたNV中心のスピンは、第1振幅に応じた第1周波数を有するラビ振動(第1ラビ振動)を行う。第1ラビ振動を行うスピンは、第1周波数に近い周波数の外部電磁場から強く影響を受ける。第1ラビ振動を行うスピンは、外部電磁場が、第1周波数に近い周波数であるほど、蛍光を強く発する。 The spins in the NV center to which the first electromagnetic wave is supplied undergo Rabi oscillations (first Rabi oscillations) having a first frequency corresponding to the first amplitude. The spins undergoing the first Rabi oscillations are strongly affected by an external electromagnetic field having a frequency close to the first frequency. The spins undergoing the first Rabi oscillations emit more fluorescence the closer the external electromagnetic field is to the first frequency.

第2電磁波が供給されたNV中心のスピンは、第2振幅に応じた第2周波数を有するラビ振動(第2ラビ振動)を行う。第2振幅は第1振幅とは異なる振幅であるので、第2周波数は、第1周波数とは異なる周波数となる。第2振幅が第1振幅より大きい場合、第2周波数は第1周波数より高くなる。 The spins of the NV center to which the second electromagnetic wave is supplied undergo Rabi oscillations (second Rabi oscillations) having a second frequency corresponding to the second amplitude. Since the second amplitude is different from the first amplitude, the second frequency is different from the first frequency. If the second amplitude is greater than the first amplitude, the second frequency is higher than the first frequency.

第2ラビ振動を行うスピンは、第2周波数に近い周波数の外部電磁場から強く影響を受ける。第2ラビ振動を行うスピンは、外部電磁場が、第2周波数に近い周波数であるほど、蛍光を強く発する。 Spins undergoing the second Rabi oscillation are strongly affected by external electromagnetic fields with frequencies close to the second frequency. Spins undergoing the second Rabi oscillation emit stronger fluorescence the closer the external electromagnetic field is to the second frequency.

受光部は、レーザ照射部がNV中心を励起した結果生じる、第1電磁波及び外部電磁場に基づく第1受光信号と、第2電磁波及び外部電磁場に基づく第2受光信号とを取得する。検出信号生成部は、第1受光信号に基づく第1検出信号と第2受光信号に基づく第2検出信号とを生成する。 The light receiving unit acquires a first light receiving signal based on the first electromagnetic wave and the external electromagnetic field, and a second light receiving signal based on the second electromagnetic wave and the external electromagnetic field, which are generated as a result of the laser irradiation unit exciting the NV center. The detection signal generating unit generates a first detection signal based on the first light receiving signal and a second detection signal based on the second light receiving signal.

第1検出信号は、第1電磁波が供給されたNV中心によって検出された、第1周波数の外部電磁場の強度を示す信号となる。第2検出信号は、第2電磁波が供給されたNV中心によって検出された、第2周波数の外部電磁場の強度を示す信号となる。 The first detection signal is a signal indicating the intensity of an external electromagnetic field of a first frequency detected by the NV center to which the first electromagnetic wave is supplied. The second detection signal is a signal indicating the intensity of an external electromagnetic field of a second frequency detected by the NV center to which the second electromagnetic wave is supplied.

画像生成部は、第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成する。 The image generating unit generates a detection image showing the distribution of the intensity of the external electromagnetic field incident on the diamond crystal based on the first detection signal and the second detection signal.

第1検出信号のみでは、外部電磁場の強度の分布は適切に画像化されない。なぜなら、外部電磁場の周波数が第1周波数から離れた周波数である場合、第1検出信号は外部電磁場の影響をほとんど受けないからである。そのため、第1検出信号が、ダイヤモンド結晶において空間的に分布する信号強度を有している場合であっても、当該強度の分布は、ノイズに起因する分布であるのか、外部電磁場を反映した分布であるのかを切り分けることが難しい。これにより、外部電磁場の強度の分布の適切な画像化が難しくなる。 The first detection signal alone does not adequately image the distribution of the intensity of the external electromagnetic field. This is because, when the frequency of the external electromagnetic field is far from the first frequency, the first detection signal is hardly affected by the external electromagnetic field. Therefore, even if the first detection signal has a signal intensity that is spatially distributed in the diamond crystal, it is difficult to distinguish whether the distribution of the intensity is due to noise or a distribution that reflects the external electromagnetic field. This makes it difficult to adequately image the distribution of the intensity of the external electromagnetic field.

そこで、検出装置は、第1周波数とは異なる第2周波数の外部電磁場の強度を示す第2検出信号をさらに取得する。第1検出信号と第2検出信号とによって、第1周波数と第2周波数のそれぞれの周波数における外部電磁場の強度が算出可能となる。第1検出信号と第2検出信号とに基づくことで、ノイズに起因する外部電磁場の強度分布の影響を抑えることができる。 The detection device further acquires a second detection signal indicating the intensity of the external electromagnetic field at a second frequency different from the first frequency. The first detection signal and the second detection signal make it possible to calculate the intensity of the external electromagnetic field at each of the first and second frequencies. By using the first detection signal and the second detection signal as a basis, the influence of the intensity distribution of the external electromagnetic field caused by noise can be suppressed.

検出装置は、NV中心という微小な構造を用いることにより高い空間分解能を有し、異なる周波数における外部電磁場の検出信号を用いることによって高い検出感度を有する。 The detection device has high spatial resolution by using tiny structures called NV centers, and high detection sensitivity by using detection signals of external electromagnetic fields at different frequencies.

上記態様において、第2振幅は第1振幅より大きく、電磁波供給部は、第1電磁波、第2電磁波又は第2振幅より大きい第3振幅の磁場を有する第3電磁波のいずれかの電磁波を、供給シーケンスに従ってダイヤモンド結晶に供給し、受光部は、レーザにより励起されたNV中心から、第3電磁波の第3振幅に応じた第3強度を有する第3蛍光を受光し、第3蛍光に基づく第3受光信号を受光信号として取得し、検出信号生成部は、検出信号として、第3受光信号に基づく第3検出信号を生成し、画像生成部は、第3検出信号と第1検出信号とに基づいて、背景信号を算出し、画像生成部は、第2検出信号から背景信号を除いた信号に基づいて、検出画像を生成してもよい。 In the above aspect, the second amplitude is greater than the first amplitude, the electromagnetic wave supply unit supplies the diamond crystal with any one of the first electromagnetic wave, the second electromagnetic wave, or a third electromagnetic wave having a magnetic field with a third amplitude greater than the second amplitude according to the supply sequence, the light receiving unit receives a third fluorescence having a third intensity according to the third amplitude of the third electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, and obtains a third received light signal based on the third fluorescence as the received light signal, the detection signal generating unit generates a third detection signal based on the third received light signal as the detection signal, the image generating unit calculates a background signal based on the third detection signal and the first detection signal, and the image generating unit may generate a detection image based on a signal obtained by removing the background signal from the second detection signal.

検出信号生成部が、第1検出信号と第3検出信号とに基づいて、ノイズとしての背景信号を算出する。画像生成部は、第2検出信号から背景信号を除いた信号に基づいて検出画像を生成することができるので、ノイズに起因する外部電磁場の強度分布の影響が抑えられる。 The detection signal generating unit calculates a background signal as noise based on the first detection signal and the third detection signal. The image generating unit can generate a detection image based on a signal obtained by removing the background signal from the second detection signal, thereby suppressing the influence of the intensity distribution of the external electromagnetic field caused by noise.

第2振幅の磁場を有する第2電磁波による第2ラビ振動の周波数が、外部電磁場の周波数に近い場合、第2検出信号は大きい値となる。第2振幅は第1振幅と第3振幅の中間の大きさの磁場振幅であるため、第1周波数及び第3電磁波に基づく第3ラビ振動の周波数である第3周波数は、外部電磁場の周波数から離れた値となる。したがって、第1検出信号及び第3検出信号の値は、第2検出信号より小さくなる。よって、第1検出信号、第2検出信号、及び第3検出信号それぞれの強度を、周波数を横軸としてプロットした場合、周波数プロットは、第2検出信号に基づく極値を有する。 When the frequency of the second Rabi oscillation due to the second electromagnetic wave having a magnetic field of the second amplitude is close to the frequency of the external electromagnetic field, the second detection signal has a large value. Since the second amplitude is a magnetic field amplitude intermediate between the first amplitude and the third amplitude, the third frequency, which is the frequency of the third Rabi oscillation based on the first frequency and the third electromagnetic wave, has a value far from the frequency of the external electromagnetic field. Therefore, the values of the first detection signal and the third detection signal are smaller than the second detection signal. Therefore, when the intensities of the first detection signal, the second detection signal, and the third detection signal are plotted with frequency on the horizontal axis, the frequency plot has an extreme value based on the second detection signal.

検出装置は、背景信号が除かれ、かつ極値である第2検出信号に基づいて、検出画像を生成することで、より高い検出感度にて外部電磁場の検出及び可視化を行う。 The detection device detects and visualizes the external electromagnetic field with higher detection sensitivity by generating a detection image based on the second detection signal, which is an extreme value and from which background signals have been removed.

上記態様において、供給シーケンスは第1供給シーケンスと第2供給シーケンスとを含み、電磁波供給部は、第1供給シーケンスにおいて、NV中心のスピン状態を第1スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第1スピン状態の第1スピン方向に振動する磁場を有し、スピン状態を第2スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第2スピン状態を第3スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給してもよい。 In the above aspect, the supply sequence includes a first supply sequence and a second supply sequence, and in the first supply sequence, the electromagnetic wave supply unit may supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave that sets the spin state of the NV center to a first spin state, supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave that has a magnetic field that oscillates in a first spin direction of the first spin state and sets the spin state to a second spin state, and supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave that sets the second spin state to a third spin state.

また、電磁波検出部は、第2供給シーケンスにおいて、スピン状態を第1スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、スピン状態を第2スピン状態とする、第1スピン方向に振動する磁場を有する供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第2スピン状態を第3スピン状態のスピン方向と反対のスピン方向を有する第4スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給してもよい。 In addition, in the second supply sequence, the electromagnetic wave detection unit may supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave that sets the spin state to a first spin state, supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave having a magnetic field oscillating in the first spin direction that sets the spin state to a second spin state, and supply to the diamond crystal a supply electromagnetic wave that sets the second spin state to a fourth spin state having a spin direction opposite to the spin direction of the third spin state.

また、受光部は、第3スピン状態にあるNV中心から発された第3受光信号と第4スピン状態にあるNV中心から発された第4受光信号とを取得し、検出信号生成部は、第3受光信号と第4受光信号との差に基づいて検出信号を生成してもよい。 The light receiving unit may also acquire a third light receiving signal emitted from the NV center in the third spin state and a fourth light receiving signal emitted from the NV center in the fourth spin state, and the detection signal generating unit may generate a detection signal based on the difference between the third light receiving signal and the fourth light receiving signal.

第1供給シーケンス及び第2供給シーケンスにより、受光部は、ある振幅を有する供給電磁波の磁場の振幅に基づく、第3受光信号と第4受光信号という2つの受光信号を得ることができる。第3受光信号と、第4受光信号とは、それぞれの基となるスピン状態のスピン方向が反対である。第2スピン状態にあるNV中心は、検出対象の外部電磁場の影響と他のノイズとの影響を受ける。ノイズの方向はランダムであるため、第3受光信号と第4受光信号との差をとることにより、ノイズを打ち消すことができる。第3スピン状態と第4スピン状態は互いに逆向きであるため、第3受光信号と第4受光信号との差をとることにより、第2スピン状態に対する外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。 By the first supply sequence and the second supply sequence, the light receiving unit can obtain two light receiving signals, the third light receiving signal and the fourth light receiving signal, based on the amplitude of the magnetic field of the supplied electromagnetic wave having a certain amplitude. The third light receiving signal and the fourth light receiving signal have opposite spin directions of the spin states on which they are based. The NV center in the second spin state is affected by the external electromagnetic field of the detection target and other noise. Since the direction of the noise is random, the noise can be canceled by taking the difference between the third light receiving signal and the fourth light receiving signal. Since the third spin state and the fourth spin state are opposite to each other, it is possible to extract the net effect of the external electromagnetic field on the second spin state by taking the difference between the third light receiving signal and the fourth light receiving signal.

上記態様において、電磁波供給部は、第2供給シーケンスにおいて、第1供給シーケンスにおけるスピン状態を第3スピン状態とする電磁波の位相と180度異なる位相を有し、スピン状態を第4スピン状態とする電磁波を供給してもよい。これにより、第2スピン状態に対する外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。 In the above aspect, the electromagnetic wave supply unit may supply, in the second supply sequence, electromagnetic waves that have a phase that is 180 degrees different from the phase of the electromagnetic waves that cause the spin state in the first supply sequence to be the third spin state, and that cause the spin state to be the fourth spin state. This makes it possible to extract the net effect of the external electromagnetic field on the second spin state.

上記態様において、ダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する複数のNV中心を有してもよい。これにより、外部電磁場を発する電磁波検出対象のより広い範囲からの外部電磁場を検出することが可能となる。 In the above embodiment, the diamond crystal may have a plurality of NV centers distributed inside the surface of the diamond crystal and within a range that occupies a predetermined volume in the diamond crystal. This makes it possible to detect an external electromagnetic field from a wider range of the electromagnetic wave detection target that emits the external electromagnetic field.

本発明の他の態様に係る蛍光検出方法は、蛍光検出装置が、所定の供給シーケンスに従って、第1振幅の磁場を有する第1電磁波又は第1振幅とは異なる第2振幅の磁場を有する第2電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、NV中心を有するダイヤモンド結晶に供給することと、ダイヤモンド結晶に、NV中心を励起するレーザを照射することと、レーザにより励起されたNV中心から、第1電磁波の第1振幅に応じた第1強度を有する第1蛍光を受光し、レーザにより励起されたNV中心から、第2電磁波の第2振幅に応じた第2強度を有する第2蛍光を受光することと、受光信号として、第1蛍光に基づく第1受光信号及び第2蛍光に基づく第2受光信号を取得することと、検出信号として、第1受光信号に基づく第1検出信号と第2受光信号に基づく第2検出信号とを生成することと、第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成すること、とを含む。 A fluorescence detection method according to another aspect of the present invention includes a fluorescence detection device supplying a supply electromagnetic wave, either a first electromagnetic wave having a magnetic field of a first amplitude or a second electromagnetic wave having a magnetic field of a second amplitude different from the first amplitude, to a diamond crystal having an NV center according to a predetermined supply sequence; irradiating the diamond crystal with a laser that excites the NV center; receiving a first fluorescence having a first intensity corresponding to the first amplitude of the first electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, receiving a second fluorescence having a second intensity corresponding to the second amplitude of the second electromagnetic wave from the NV center excited by the laser; acquiring a first received signal based on the first fluorescence and a second received signal based on the second fluorescence as received signals; generating a first detection signal based on the first received signal and a second detection signal based on the second received signal as detection signals; and generating a detection image showing the distribution of the intensity of the external electromagnetic field incident on the diamond crystal based on the first detection signal and the second detection signal.

本発明によれば、高い空間分解能及び高い検出感度を有する、電磁波の検出装置を提供することができる。 The present invention provides an electromagnetic wave detection device with high spatial resolution and high detection sensitivity.

本実施形態に係る検出装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a detection device according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係るダイヤモンド結晶、アンテナ、及びサンプルの配置を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of a diamond crystal, an antenna, and a sample according to the present embodiment. 本実施形態に係る外部電磁場の検出を説明するための図である。1 is a diagram for explaining detection of an external electromagnetic field according to the present embodiment. FIG. 本実施形態に係る第1供給シーケンスの一例を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a first supply sequence according to the present embodiment. 本実施形態に係る第2供給シーケンスの一例を説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a second supply sequence according to the embodiment. 本実施形態に係る第1供給シーケンスの他の一例を説明する図である。10A to 10C are diagrams illustrating another example of the first supply sequence according to the embodiment. 本実施形態に係る第2供給シーケンスの他の一例を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating another example of the second supply sequence according to the embodiment. 本実施形態に係る検出信号のビニングを説明する図である。5A and 5B are diagrams illustrating binning of detection signals according to the present embodiment. 本実施形態に係る外部電磁場の検出処理を説明するためのフローチャートである。10 is a flowchart for explaining a process for detecting an external electromagnetic field according to the present embodiment. 本実施形態に係るNV中心の共振周波数を説明するための図である。11 is a diagram for explaining the resonant frequency of the NV center according to the embodiment. FIG. 本実施形態に係る検出画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a detection image generation process according to the present embodiment. 本実施形態に係るサンプルの一例の平面図である。FIG. 2 is a plan view of an example of a sample according to the embodiment. 本実施形態に係る蛍光強度を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining fluorescence intensity according to the embodiment. 本実施形態に係る蛍光強度の一例を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining an example of fluorescence intensity according to the embodiment. 本実施形態に係る検出画像の一例を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining an example of a detection image according to the embodiment. NV中心を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining an NV center.

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In each drawing, the same reference numerals are used to denote the same or similar configurations.

図1には、本実施形態に係る検出装置10のブロック図が示される。検出装置10は、ダイヤモンド結晶101、アンテナ部102、制御部103、パルス発生器104、レーザ照射器105、撮像装置106、局所発振器107、任意波形生成器108、ミキサ109、スイッチ110、増幅器111、及び信号生成器112を有する。検出装置10は、サンプルSが発する外部電磁場を検出するために用いられる。 Figure 1 shows a block diagram of a detection device 10 according to this embodiment. The detection device 10 has a diamond crystal 101, an antenna unit 102, a control unit 103, a pulse generator 104, a laser irradiator 105, an imaging device 106, a local oscillator 107, an arbitrary waveform generator 108, a mixer 109, a switch 110, an amplifier 111, and a signal generator 112. The detection device 10 is used to detect an external electromagnetic field emitted by a sample S.

ダイヤモンド結晶101は、サンプルSと非常に近い位置又は接する位置に設けられる。ダイヤモンド結晶101は、以下に説明するNV中心を有する。 The diamond crystal 101 is placed very close to or in contact with the sample S. The diamond crystal 101 has an NV center, which will be described below.

ここで、NV中心について簡単に説明する。図16には、NV中心の構造を説明するための構造図が示される。NV中心とは、炭素原子Cで構成されるダイヤモンド結晶の格子点の一つを窒素原子Nと、窒素原子Nに隣接する炭素原子の抜けによる空孔Vとによって形成される複合欠陥である。この複合欠陥は、図16に概念を示すように、電子eを捕獲することができる。電子eは、量子状態(スピンs)を有する。NV中心は、所定波長の光、例えば、緑色のレーザ光を強く吸収し、他の所定波長の光、例えば、赤い蛍光を発する。NV中心からの蛍光の強度は、電子eのスピンsに応じて変化するという特徴を有する。 Here, we will briefly explain the NV center. Figure 16 shows a structural diagram for explaining the structure of the NV center. The NV center is a complex defect formed by a nitrogen atom N at one of the lattice points of a diamond crystal composed of carbon atoms C and a vacancy V caused by the loss of a carbon atom adjacent to the nitrogen atom N. This complex defect can capture an electron e, as conceptually shown in Figure 16. The electron e has a quantum state (spin s). The NV center strongly absorbs light of a specific wavelength, for example, green laser light, and emits light of another specific wavelength, for example, red fluorescence. The intensity of the fluorescence from the NV center has the characteristic that it changes depending on the spin s of the electron e.

ダイヤモンド結晶101に所定波長の光、例えば、緑色のレーザが入射されると、ダイヤモンド結晶101のNV中心は、他の所定波長の光、例えば、赤色の蛍光を発する。ダイヤモンド結晶101及びアンテナ部102の形状については後述する。 When light of a specific wavelength, for example a green laser, is incident on the diamond crystal 101, the NV center of the diamond crystal 101 emits light of another specific wavelength, for example red fluorescence. The shapes of the diamond crystal 101 and the antenna portion 102 will be described later.

アンテナ部102は、ダイヤモンド結晶101に接して設けられる。ダイヤモンド結晶101はアンテナ部102とサンプルSとで挟まれる。アンテナ部102は、増幅器111を通じて入力される、所定の周波数及び選択された振幅を有する無線周波数信号に基づく電磁波(供給電磁波)を、ダイヤモンド結晶101に送信することで、当該電磁波をダイヤモンド結晶101に伝搬させる。 The antenna part 102 is provided in contact with the diamond crystal 101. The diamond crystal 101 is sandwiched between the antenna part 102 and the sample S. The antenna part 102 transmits an electromagnetic wave (supplied electromagnetic wave) based on a radio frequency signal having a predetermined frequency and a selected amplitude, which is input through the amplifier 111, to the diamond crystal 101, thereby propagating the electromagnetic wave to the diamond crystal 101.

制御部103は、パルス発生器104、撮像装置106、局所発振器107、任意波形生成器108に接続される制御部品である。制御部103は、検出装置10による電磁波の検出の各種制御を行う装置である。制御部103は、物理的構成として、制御に必要な処理を行うCPU(Central Processing Unit)、記憶領域としてのRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、あるいはHDD(Hard Disk Drive)、各種通信を行う通信装置を備える。 The control unit 103 is a control component connected to the pulse generator 104, the imaging device 106, the local oscillator 107, and the arbitrary waveform generator 108. The control unit 103 is a device that performs various controls for the detection of electromagnetic waves by the detection device 10. The physical configuration of the control unit 103 includes a CPU (Central Processing Unit) that performs the processes required for control, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or a HDD (Hard Disk Drive) as a storage area, and a communication device that performs various communications.

制御部103は、機能的構成として、記憶部1031、信号生成部1032,電磁波供給制御部1033,受光信号取得部1034,検出信号生成部1035、及び画像生成部1036を備える。これらの各部は、例えば、RAMやROM等の記憶領域を用いたり、記憶領域に記憶されたプログラムをCPUが実行したりすることにより実現される。例えば、プログラムは、記憶部1031に記憶される。 The control unit 103 has, as its functional configuration, a memory unit 1031, a signal generation unit 1032, an electromagnetic wave supply control unit 1033, a light reception signal acquisition unit 1034, a detection signal generation unit 1035, and an image generation unit 1036. Each of these units is realized, for example, by using a memory area such as a RAM or ROM, or by the CPU executing a program stored in the memory area. For example, the program is stored in the memory unit 1031.

記憶部1031は、制御部103における各種処理に必要なプログラムや情報が記憶される記憶領域である。 The memory unit 1031 is a memory area in which programs and information necessary for various processes in the control unit 103 are stored.

信号生成部1032は、後述の信号生成器112を制御することで、サンプルSに対する無線周波数信号(RF信号)の供給を制御する。「無線周波数信号」とは、無線通信に用いられる周波数帯域を有する信号を意味している。無線周波数信号はサンプルSに対して有線で供給される。なお、無線周波数信号はサンプルSに対して無線で供給されてもよい。 The signal generating unit 1032 controls the signal generator 112 described below, thereby controlling the supply of a radio frequency signal (RF signal) to the sample S. A "radio frequency signal" refers to a signal having a frequency band used for wireless communication. The radio frequency signal is supplied to the sample S via a wired connection. Note that the radio frequency signal may also be supplied to the sample S wirelessly.

電磁波供給制御部1033は、局所発振器107及び任意波形生成器108を制御することで、アンテナ部102に供給される電磁波の供給を制御する。 The electromagnetic wave supply control unit 1033 controls the local oscillator 107 and the arbitrary waveform generator 108 to control the supply of electromagnetic waves to the antenna unit 102.

受光信号取得部1034は、撮像装置106によって検出されたNV中心からの蛍光に基づく受光信号を、撮像装置106から取得する。 The light receiving signal acquisition unit 1034 acquires a light receiving signal based on the fluorescence from the NV center detected by the imaging device 106 from the imaging device 106.

検出信号生成部1035は、受光信号取得部1034が取得した受光信号に基づいて、検出信号を生成する。 The detection signal generating unit 1035 generates a detection signal based on the received light signal acquired by the received light signal acquiring unit 1034.

画像生成部1036は、検出信号生成部1035が生成した検出信号に基づいて、サンプルSが外部に発する外部電磁場の強度分布を示す検出画像を生成する。 The image generating unit 1036 generates a detection image showing the intensity distribution of the external electromagnetic field emitted by the sample S to the outside based on the detection signal generated by the detection signal generating unit 1035.

制御部103の各部による具体的な処理については後述する。 The specific processing performed by each part of the control unit 103 will be described later.

パルス発生器104は、制御部103、レーザ照射器105、撮像装置106、任意波形生成器108、及びスイッチ110に接続される。パルス発生器104は、制御部103の制御に基づいて、所定のパルス幅を有するパルス信号(以降、単に「パルス」とも呼ぶ)を、レーザ照射器105、撮像装置106、任意波形生成器108、及びスイッチ110に供給する。 The pulse generator 104 is connected to the control unit 103, the laser irradiator 105, the image capture device 106, the arbitrary waveform generator 108, and the switch 110. Based on the control of the control unit 103, the pulse generator 104 supplies a pulse signal having a predetermined pulse width (hereinafter also simply referred to as a "pulse") to the laser irradiator 105, the image capture device 106, the arbitrary waveform generator 108, and the switch 110.

パルス発生器104は、アンテナ部102に供給されるRF信号用のパルスを、スイッチ110に供給する。パルス発生器104は、レーザ照射器105によるレーザの照射を制御する照射用パルスを、レーザ照射器105に供給する。パルス発生器104は、撮像装置106による撮像タイミングをトリガする撮像用パルスを、撮像装置106に供給する。パルス発生器104は、任意波形生成器108による信号生成を制御する波形生成パルスを、任意波形生成器108に供給する。パルス発生器104は、スイッチ110のオンオフの切り替えを制御する切替制御パルスを、スイッチ110に供給する。 The pulse generator 104 supplies a pulse for the RF signal supplied to the antenna unit 102 to the switch 110. The pulse generator 104 supplies an irradiation pulse to the laser irradiator 105, which controls the irradiation of the laser by the laser irradiator 105. The pulse generator 104 supplies an imaging pulse to the imaging device 106, which triggers the imaging timing by the imaging device 106. The pulse generator 104 supplies a waveform generation pulse to the arbitrary waveform generator 108, which controls signal generation by the arbitrary waveform generator 108. The pulse generator 104 supplies a switching control pulse to the switch 110, which controls the on/off switching of the switch 110.

レーザ照射器105は、の周波数を有するレーザ光Lを照射する。例えば、レーザ光Lの波長は例えば520nmであり、レーザ光Lは緑色のレーザとなる。レーザ光Lの出力は、例えば7mWである。なお、レーザ光Lの波長及び出力は、上記の値に限定されず、ダイヤモンド結晶101のNV中心を励起可能であればよい。 The laser irradiator 105 irradiates laser light L having a frequency of . For example, the wavelength of the laser light L is 520 nm, and the laser light L is a green laser. The output of the laser light L is 7 mW, for example. Note that the wavelength and output of the laser light L are not limited to the above values, and may be any value that can excite the NV center of the diamond crystal 101.

レーザ光Lは、ミラー1051、ハーフミラー1052、及び対物レンズ1053を有する光学系を通じて、ダイヤモンド結晶101に照射される。レーザ照射器105、ミラー1051、ハーフミラー1052、及び対物レンズ1053をまとめてレーザ照射部と呼ぶことができる。 The laser light L is irradiated onto the diamond crystal 101 through an optical system having a mirror 1051, a half mirror 1052, and an objective lens 1053. The laser irradiator 105, the mirror 1051, the half mirror 1052, and the objective lens 1053 can be collectively referred to as the laser irradiation unit.

撮像装置106は、レーザ光Lが照射されたダイヤモンド結晶101から発される蛍光PLを受光する。蛍光は、例えば、赤色の蛍光となる周波数及び波長を有する。撮像装置106は、対物レンズ1053、長波長フィルタ1061、及び結像レンズ1062を通じて、ダイヤモンド結晶101から発せられる蛍光PLを受光する。長波長フィルタ1061は、赤色より長い波長の蛍光を透過させるフィルタである。結像レンズ1062は、蛍光を撮像装置106の受光に適するように調整するレンズである。 The imaging device 106 receives the fluorescence PL emitted from the diamond crystal 101 irradiated with the laser light L. The fluorescence has a frequency and wavelength that results in red fluorescence, for example. The imaging device 106 receives the fluorescence PL emitted from the diamond crystal 101 through the objective lens 1053, the long wavelength filter 1061, and the imaging lens 1062. The long wavelength filter 1061 is a filter that transmits fluorescence with wavelengths longer than red. The imaging lens 1062 is a lens that adjusts the fluorescence so that it is suitable for reception by the imaging device 106.

撮像装置106は例えば、複数の受光素子を有するCMOSカメラである。撮像装置106にCMOSカメラを用いた場合、CMOSカメラは冷却CMOSカメラであってもよい。撮像装置106は、受光素子への蛍光の入射に基づいて、受光信号を生成する。生成された受光信号は、受光信号取得部1034に送信される。撮像装置106及び受光信号取得部1034をまとめて受光部と呼ぶことができる。なお、ハーフミラー1052、対物レンズ1053は、レーザ照射部及び受光部の両方に含まれてもよい。 The imaging device 106 is, for example, a CMOS camera having multiple light receiving elements. When a CMOS camera is used for the imaging device 106, the CMOS camera may be a cooled CMOS camera. The imaging device 106 generates a light receiving signal based on the incidence of fluorescent light on the light receiving element. The generated light receiving signal is transmitted to the light receiving signal acquisition unit 1034. The imaging device 106 and the light receiving signal acquisition unit 1034 can be collectively referred to as the light receiving unit. Note that the half mirror 1052 and the objective lens 1053 may be included in both the laser irradiation unit and the light receiving unit.

局所発振器107は、制御部103及びミキサ109に接続される。局所発振器107は、電磁波供給制御部1033からの信号に基づいて、所定の周波数のRF信号を生成する。局所発振器107は、生成したRF信号をミキサ109に送信する。 The local oscillator 107 is connected to the control unit 103 and the mixer 109. The local oscillator 107 generates an RF signal of a predetermined frequency based on a signal from the electromagnetic wave supply control unit 1033. The local oscillator 107 transmits the generated RF signal to the mixer 109.

任意波形生成器108は、パルス発生器104からの波形生成パルスに基づいて、ミキサ109に互いに直交するI信号及びQ信号を供給する。I信号とQ信号とは、位相がπ/2異なる信号である。 The arbitrary waveform generator 108 supplies mutually orthogonal I and Q signals to the mixer 109 based on the waveform generation pulse from the pulse generator 104. The I and Q signals are signals with a phase difference of π/2.

ミキサ109は、局所発振器107からのRF信号と任意波形生成器108からのI信号及びQ信号とに基づいて、RF信号がパルス化された信号を生成する。パルス化されたRF信号は、スイッチ110に送信される。 The mixer 109 generates a pulsed RF signal based on the RF signal from the local oscillator 107 and the I and Q signals from the arbitrary waveform generator 108. The pulsed RF signal is sent to the switch 110.

スイッチ110は、パルス発生器104からの切替制御パルスに基づいて、ミキサ109からのパルス化されたRF信号が増幅器111を通じてアンテナ部102に供給されるように、ミキサ109と増幅器111とを接続するスイッチである。スイッチ110は、ミキサ109がパルス化されたRF信号を生成している場合にのみオンとなるように制御される。 The switch 110 is a switch that connects the mixer 109 and the amplifier 111 so that the pulsed RF signal from the mixer 109 is supplied to the antenna unit 102 through the amplifier 111 based on a switching control pulse from the pulse generator 104. The switch 110 is controlled to be on only when the mixer 109 is generating a pulsed RF signal.

増幅器111は、パルス化されたRF信号の電力を増幅する。増幅器111は、増幅された、パルス化されたRF信号を、アンテナ部102に供給する。アンテナ部102、制御部103、パルス発生器104、局所発振器107、任意波形生成器108、ミキサ109、スイッチ110をまとめて電磁波供給部と呼ぶことができる。 The amplifier 111 amplifies the power of the pulsed RF signal. The amplifier 111 supplies the amplified pulsed RF signal to the antenna unit 102. The antenna unit 102, the control unit 103, the pulse generator 104, the local oscillator 107, the arbitrary waveform generator 108, the mixer 109, and the switch 110 can be collectively referred to as the electromagnetic wave supply unit.

信号生成器112は、信号生成部1032からの信号に基づいて、所定の無線周波数信号(RF信号)をサンプルSに供給する。信号生成器112が生成するRF信号は、局所発振器107が生成するRF信号とは独立して生成される信号である。サンプルSにRF信号が供給されることにより、ダイヤモンド結晶101の近傍にサンプルSによる外部電磁場が発生する。 The signal generator 112 supplies a predetermined radio frequency signal (RF signal) to the sample S based on the signal from the signal generating unit 1032. The RF signal generated by the signal generator 112 is a signal generated independently of the RF signal generated by the local oscillator 107. By supplying the RF signal to the sample S, an external electromagnetic field is generated by the sample S in the vicinity of the diamond crystal 101.

検出装置10における外部電磁場の検出の概略は以下の通りである。アンテナ部102にパルス化されたRF信号が供給される。アンテナ部102は、パルス化されたRF信号に基づいて、ダイヤモンド結晶101に電磁波を供給する。ダイヤモンド結晶101は、供給された電磁波によって、外部電磁場の検出を可能とする状態になる。 An outline of how the detection device 10 detects an external electromagnetic field is as follows. A pulsed RF signal is supplied to the antenna unit 102. The antenna unit 102 supplies electromagnetic waves to the diamond crystal 101 based on the pulsed RF signal. The supplied electromagnetic waves put the diamond crystal 101 in a state that enables it to detect the external electromagnetic field.

サンプルSにRF信号が供給されることで外部電磁場がダイヤモンド結晶101近傍に発生する。外部電磁場により影響を受けたダイヤモンド結晶101に、レーザ照射器105がレーザ光Lを照射する。ダイヤモンド結晶101は、レーザ光Lにより励起され、蛍光PLを発する。蛍光PLは、撮像装置106に入力され、受光信号が、受光信号取得部1034により取得される。 When an RF signal is supplied to the sample S, an external electromagnetic field is generated near the diamond crystal 101. The laser irradiator 105 irradiates the diamond crystal 101, which is affected by the external electromagnetic field, with laser light L. The diamond crystal 101 is excited by the laser light L and emits fluorescence PL. The fluorescence PL is input to the imaging device 106, and a received light signal is acquired by the received light signal acquisition unit 1034.

制御部103には、パルス発生器104からのパルス信号が供給されている。アンテナ部102へのRF信号の供給、レーザ照射器105によるレーザ光Lの照射、及び撮像装置106による受光信号の生成のタイミングは、当該パルス信号により同期されている。 The control unit 103 is supplied with a pulse signal from a pulse generator 104. The timing of the supply of an RF signal to the antenna unit 102, the irradiation of laser light L by the laser irradiator 105, and the generation of a light receiving signal by the imaging device 106 are synchronized by this pulse signal.

検出信号生成部1035はあるタイミングにおける受光信号に基づいて、検出信号を生成する。画像生成部1036は、検出信号に基づいて、サンプルSにおける外部電磁場の強度分布を示す検出画像を生成する。 The detection signal generating unit 1035 generates a detection signal based on the light receiving signal at a certain timing. The image generating unit 1036 generates a detection image showing the intensity distribution of the external electromagnetic field in the sample S based on the detection signal.

図2を参照して、ダイヤモンド結晶101、アンテナ部102、及びサンプルSの構造について説明する。 The structures of the diamond crystal 101, antenna portion 102, and sample S will be described with reference to Figure 2.

ダイヤモンド結晶101は、ダイヤモンド結晶層201及びNV中心層202を有する。 The diamond crystal 101 has a diamond crystal layer 201 and an NV central layer 202.

ダイヤモンド結晶層201は、xy平面に平行な主面を有するダイヤモンドの結晶構造である。ダイヤモンド結晶層201は、NV中心層202を挟んで設けられる。なお、NV中心層202によって、ダイヤモンド結晶101が区切られるため、便宜上、ダイヤモンド結晶層201を層と呼んでいる。 The diamond crystal layer 201 is a diamond crystal structure having a main surface parallel to the xy plane. The diamond crystal layer 201 is provided sandwiching the NV center layer 202. Since the diamond crystal 101 is separated by the NV center layer 202, for convenience, the diamond crystal layer 201 is referred to as a layer.

NV中心層202は、ダイヤモンド結晶101中に形成される複数のNV中心を含む層である。NV中心層202は、ダイヤモンド結晶層201のz軸負方向を向く表面からz軸正方向に所定範囲、例えば、約10nmの範囲に形成される。NV中心層202は、ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する。 The NV center layer 202 is a layer containing multiple NV centers formed in the diamond crystal 101. The NV center layer 202 is formed in a predetermined range, for example, a range of about 10 nm, in the positive z-axis direction from the surface of the diamond crystal layer 201 facing the negative z-axis direction. The NV center layer 202 is inside the surface of the diamond crystal and is distributed in a range that occupies a predetermined volume in the diamond crystal.

NV中心層202のNV中心には、永久磁石207a、永久磁石207bによって、静磁場が印加される。静磁場によって、NV中心層202のNV中心のスピン状態の縮退が分離され、検出装置10によって検出可能となる。 A static magnetic field is applied to the NV center of the NV center layer 202 by permanent magnets 207a and 207b. The static magnetic field separates the degeneracy of the spin state of the NV center of the NV center layer 202, making it detectable by the detection device 10.

アンテナ部102は、基板203及びアンテナ204を有する。基板203は、例えば、樹脂材料によって形成される実装基板である。アンテナ204は、ダイヤモンド結晶101の主面に平行に、基板203内に形成される金属パターンである。アンテナ204は、例えば、金を材料とすることができる。アンテナ204は、増幅器111を通じて信号MWが入力されると、ダイヤモンド結晶101に対して電磁波を発する。 The antenna section 102 has a substrate 203 and an antenna 204. The substrate 203 is, for example, a mounting substrate formed from a resin material. The antenna 204 is a metal pattern formed in the substrate 203 parallel to the main surface of the diamond crystal 101. The antenna 204 can be made of, for example, gold. When a signal MW is input through the amplifier 111, the antenna 204 emits an electromagnetic wave to the diamond crystal 101.

サンプルSは、基板205及び配線206を有する。基板205は、ダイヤモンド結晶101の主面に平行な主面を有する。基板205は、例えば樹脂材料によって形成される実装基板である。図2ではサンプルSとダイヤモンド結晶101とは、接しているように図示されているが、微小な距離を空けて離れていてもよい。 Sample S has a substrate 205 and wiring 206. Substrate 205 has a main surface parallel to the main surface of diamond crystal 101. Substrate 205 is a mounting substrate formed of, for example, a resin material. Although sample S and diamond crystal 101 are shown in FIG. 2 as being in contact with each other, they may be separated by a small distance.

配線206は、基板205上に形成される金属配線である。配線206の材料は、例えば、Ti/Au合金である。配線206は、基板205に、フォトリソグラフィーを用いて形成される。 The wiring 206 is a metal wiring formed on the substrate 205. The material of the wiring 206 is, for example, a Ti/Au alloy. The wiring 206 is formed on the substrate 205 using photolithography.

配線206には、信号生成器112を通じて無線周波数信号である信号RFが入力される。信号RFによって、配線206は外部に向かって外部電磁場を発する。 A radio frequency signal, RF signal, is input to the wiring 206 via the signal generator 112. The RF signal causes the wiring 206 to emit an external electromagnetic field toward the outside.

図3を参照して、検出装置10における、外部電磁場の検出の概略について説明する。 Referring to Figure 3, we will explain an overview of how the detection device 10 detects an external electromagnetic field.

検出装置10では、プロセス(A)として、配線206に信号RFが供給される。配線206は、信号RFに基づく外部電磁場を発する。 In the detection device 10, as process (A), an RF signal is supplied to the wiring 206. The wiring 206 emits an external electromagnetic field based on the RF signal.

続くプロセス(B)として、レーザ照射器105からのレーザ光L1が、ダイヤモンド結晶101より具体的にはNV中心層202に照射される。レーザ光L1が照射されたNV中心層202のNV中心は、所定のスピン状態を有するように初期化される。 In the next process (B), laser light L1 from the laser irradiator 105 is irradiated onto the diamond crystal 101, more specifically onto the NV center layer 202. The NV centers of the NV center layer 202 irradiated with the laser light L1 are initialized to have a predetermined spin state.

プロセス(C)として、信号MWがアンテナ204に入力され、アンテナ204からの電磁波がNV中心層202に供給される。供給された電磁波によって、NV中心層202のNV中心は、所定の外部電磁場を検出可能なスピン状態となるように設定される。 In process (C), a signal MW is input to the antenna 204, and an electromagnetic wave from the antenna 204 is supplied to the NV center layer 202. The supplied electromagnetic wave sets the NV center in the NV center layer 202 to a spin state capable of detecting a specified external electromagnetic field.

プロセス(D)として、配線206が発する外部電磁場が、NV中心層202のNV中心のスピン状態に影響することによって、外部電磁場の強度が、NV中心層202のNV中心のスピン状態に反映される。 In process (D), the external electromagnetic field emitted by the wiring 206 affects the spin state of the NV centers in the NV center layer 202, so that the strength of the external electromagnetic field is reflected in the spin state of the NV centers in the NV center layer 202.

プロセス(E)として、レーザ照射器105からのレーザ光L2が、NV中心層202に照射される。レーザ光L2は、NV中心層202のNV中心のスピン状態を読み出すためのレーザ光である。 In process (E), laser light L2 from the laser irradiator 105 is irradiated onto the NV center layer 202. The laser light L2 is a laser light for reading out the spin state of the NV center in the NV center layer 202.

プロセス(F)として、レーザ光L2により励起されたNV中心層202のNV中心から蛍光PLが発される。蛍光PLは、ハーフミラー1052を通じて、撮像装置106にて検出される。 In process (F), fluorescence PL is emitted from the NV centers of the NV center layer 202 excited by the laser light L2. The fluorescence PL is detected by the imaging device 106 through the half mirror 1052.

以上のプロセスによって、配線206が発する外部電磁場の強度が検出される。 Through the above process, the strength of the external electromagnetic field emitted by wiring 206 is detected.

図4から図6を参照して、レーザ照射器105によるレーザ光の照射及びアンテナ部102による、ダイヤモンド結晶101への電磁波の供給シーケンスについて説明する。 The sequence of irradiating laser light by the laser irradiator 105 and supplying electromagnetic waves to the diamond crystal 101 by the antenna unit 102 will be described with reference to Figures 4 to 6.

図4には、レーザ供給シーケンスLS,電磁波供給シーケンスMSx,MSy(第1供給シーケンス)が示される。レーザ供給シーケンスLSは、レーザ照射器105が所定の時間τにわたって、ダイヤモンド結晶101にレーザ光を照射することを示す。 Figure 4 shows the laser supply sequence LS, and the electromagnetic wave supply sequences MSx and MSy (first supply sequence). The laser supply sequence LS indicates that the laser irradiator 105 irradiates the diamond crystal 101 with laser light for a predetermined time τ.

当該レーザ光が照射されることによって、NV中心のスピン状態は、|0〉状態に初期化される。初期化されたスピン方向は3次元のxyz回転座標系においてz軸正方向を向く。 By irradiating the laser light, the spin state of the NV center is initialized to the |0> state. The initialized spin direction points in the positive z-axis direction in a three-dimensional xyz rotating coordinate system.

電磁波供給シーケンスMSxは、アンテナ部102が、所定の振幅A1(第1振幅)の磁場を有し、NV中心層202のNV中心のスピン状態を所定のスピン状態とする電磁波(第1電磁波)を、ダイヤモンド結晶101に供給することを示す。具体的には、上記座標系において、スピン方向をx軸正方向に90度回転させる電磁波が供給される。この電磁波をπ/2パルスとも呼ぶ。 The electromagnetic wave supply sequence MSx indicates that the antenna section 102 supplies to the diamond crystal 101 an electromagnetic wave (first electromagnetic wave) having a magnetic field of a predetermined amplitude A1 (first amplitude) and causing the spin state of the NV center in the NV center layer 202 to become a predetermined spin state. Specifically, in the above coordinate system, an electromagnetic wave is supplied that rotates the spin direction by 90 degrees in the positive x-axis direction. This electromagnetic wave is also called a π/2 pulse.

電磁波供給シーケンスMSxにおける1回目のπ/2パルスの供給によって、初期化されたスピン状態は、所定のスピン状態(第1スピン状態)となる。 By supplying the first π/2 pulse in the electromagnetic wave supply sequence MSx, the initialized spin state becomes a predetermined spin state (first spin state).

電磁波供給シーケンスMSxにおける2回目のπ/2パルスの供給によって、後述の電磁波供給シーケンスMSyに基づくスピン状態が、所定のスピン状態(第3スピン状態)となる。 By supplying the second π/2 pulse in the electromagnetic wave supply sequence MSx, the spin state based on the electromagnetic wave supply sequence MSy described below becomes a predetermined spin state (third spin state).

電磁波供給シーケンスMSyは、アンテナ部102が、振幅A1の磁場を有し、NV中心層202のNV中心のスピン状態を所定のスピン状態(第2スピン状態)とする電磁波を、ダイヤモンド結晶101に供給することを示す。第2スピン状態は以下の数式で示されるような、スピンと電磁波の混成状態であるドレスト状態となる。
The electromagnetic wave supply sequence MSy indicates that the antenna section 102 supplies electromagnetic waves having a magnetic field of amplitude A1, which sets the spin state of the NV center in the NV center layer 202 to a predetermined spin state (second spin state), to the diamond crystal 101. The second spin state is a dressed state, which is a hybrid state of spin and electromagnetic wave, as shown in the following mathematical formula.

ドレスト状態となったスピン|+〉と|-〉との間には、エネルギーギャップΩ1が生じる。エネルギーギャップΩ1は、振幅A1の大きさに比例するラビ周波数を有する電磁波のエネルギーに相当するエネルギーギャップである。ラビ周波数とは、電磁波照射下においてエネルギー状態の間で遷移を繰り返すラビ振動の周波数のことである。 An energy gap Ω1 occurs between the dressed spins |+〉 and |-〉. The energy gap Ω1 is an energy gap that corresponds to the energy of an electromagnetic wave having a Rabi frequency proportional to the magnitude of the amplitude A1. The Rabi frequency is the frequency of the Rabi oscillation, which undergoes repeated transitions between energy states when irradiated with electromagnetic waves.

スピンは、エネルギーギャップΩ1と同じエネルギーを有する電磁波すなわちエネルギーギャップΩ1と共鳴する周波数の電磁波のみによって影響される。エネルギーギャップΩ1と共鳴しない周波数の電磁波による影響は受けない。 The spin is only affected by electromagnetic waves that have the same energy as the energy gap Ω1, that is, electromagnetic waves whose frequencies resonate with the energy gap Ω1. It is not affected by electromagnetic waves whose frequencies do not resonate with the energy gap Ω1.

電磁波供給シーケンスMSyによって、電磁波がダイヤモンド結晶101に所定の時間にわたって印加された後、電磁波供給シーケンスMSxにおける2回目のπ/2パルスが供給される。この供給によって、NV中心のスピン状態が、所定のスピン状態(第3スピン状態)となる。 After the electromagnetic wave is applied to the diamond crystal 101 for a predetermined time by the electromagnetic wave supply sequence MSy, a second π/2 pulse is supplied in the electromagnetic wave supply sequence MSx. This supply causes the spin state of the NV center to become a predetermined spin state (third spin state).

図5には、レーザ供給シーケンスLS,電磁波供給シーケンスMSx,MSy(第2供給シーケンス)が示される。第2供給シーケンスは、第1供給シーケンスと、電磁波供給シーケンスMSxにおける2回目の電磁波の供給が異なる。第2供給シーケンスの電磁波供給シーケンスMSxでは、2回目の電磁波の供給において、スピン方向をx軸負方向に90度回転させる電磁波が供給される。この電磁波を-π/2パルスとも呼ぶ。電磁波供給シーケンスMSxにおける-π/2パルスの供給によって、後述の電磁波供給シーケンスMSyに基づくスピン状態が、所定のスピン状態(第4スピン状態)となる。 Figure 5 shows a laser supply sequence LS, and electromagnetic wave supply sequences MSx and MSy (second supply sequence). The second supply sequence differs from the first supply sequence in the second supply of electromagnetic waves in the electromagnetic wave supply sequence MSx. In the electromagnetic wave supply sequence MSx of the second supply sequence, an electromagnetic wave that rotates the spin direction by 90 degrees in the negative x-axis direction is supplied in the second supply of electromagnetic waves. This electromagnetic wave is also called a -π/2 pulse. By supplying a -π/2 pulse in the electromagnetic wave supply sequence MSx, the spin state based on the electromagnetic wave supply sequence MSy described below becomes a specified spin state (fourth spin state).

第3スピン状態と第4スピン状態とは、第2スピン状態におけるエネルギーギャップΩと共鳴する電磁波による影響と、他のノイズ成分による影響とを含む。このうち、エネルギーギャップΩと共鳴する電磁波による影響は、第3スピン状態と第4スピン状態において、ほぼ同じ大きさであり、正負が異なるスピン状態となる。また、ノイズによる影響は第3スピン状態と第4スピン状態のいずれにおいてもランダムである。 The third spin state and the fourth spin state include the influence of electromagnetic waves that resonate with the energy gap Ω in the second spin state, and the influence of other noise components. Of these, the influence of electromagnetic waves that resonate with the energy gap Ω is approximately the same in the third spin state and the fourth spin state, resulting in spin states with opposite positive and negative signs. In addition, the influence of noise is random in both the third spin state and the fourth spin state.

第3スピン状態と第4スピン状態は互いに逆向きであるため、第3スピン状態と第4スピン状態との差をとることにより、第2スピン状態における外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。 Since the third spin state and the fourth spin state are in opposite directions, it is possible to extract the net effect of the external electromagnetic field on the second spin state by taking the difference between the third spin state and the fourth spin state.

図6には、第1供給シーケンスの他の例が示される。図4に示される第1供給シーケンスとの差異は、電磁波供給シーケンスMSx,MSyにおける磁場が振幅A2(第2振幅)を有することである。 Figure 6 shows another example of the first supply sequence. The difference from the first supply sequence shown in Figure 4 is that the magnetic field in the electromagnetic wave supply sequences MSx and MSy has an amplitude A2 (second amplitude).

振幅A2は振幅A1より大きい。これにより、第2スピン状態において、振幅A2の電磁波(第2電磁波)に基づくエネルギーギャップΩ2は、振幅A1の電磁波に基づくエネルギーギャップΩ1より大きくなる。 Amplitude A2 is greater than amplitude A1. As a result, in the second spin state, the energy gap Ω2 based on the electromagnetic wave of amplitude A2 (second electromagnetic wave) is greater than the energy gap Ω1 based on the electromagnetic wave of amplitude A1.

エネルギーギャップΩ2は、エネルギーギャップΩ1に対応する外部電磁場の周波数より高い周波数の外部電磁場による影響を受ける。磁場の振幅を変更することによって、第2スピン状態におけるエネルギーギャップを用いて検出可能な外部電磁場の周波数を変更することができる。これにより、外部電磁場の周波数が未知の場合に、検出装置10は、磁場の振幅を走査することで、外部電磁場の未知周波数に対応可能に、検出周波数を走査することができる。 The energy gap Ω2 is affected by an external electromagnetic field of a higher frequency than the frequency of the external electromagnetic field corresponding to the energy gap Ω1. By changing the amplitude of the magnetic field, it is possible to change the frequency of the external electromagnetic field that can be detected using the energy gap in the second spin state. As a result, when the frequency of the external electromagnetic field is unknown, the detection device 10 can scan the amplitude of the magnetic field to scan the detection frequency to accommodate the unknown frequency of the external electromagnetic field.

図7は、磁場が振幅A2を有する場合の第1供給シーケンスに対応した第2供給シーケンスである。 Figure 7 shows a second supply sequence corresponding to the first supply sequence when the magnetic field has an amplitude A2.

図8を参照して、画像生成部1036による、撮像装置106からの信号のビニングについて説明する。ダイヤモンド結晶101からの外部電磁場に対応する蛍光PLは、撮像装置106の受光素子801に入光する。 The binning of the signal from the imaging device 106 by the image generating unit 1036 will be described with reference to FIG. 8. Fluorescence PL corresponding to the external electromagnetic field from the diamond crystal 101 enters the light receiving element 801 of the imaging device 106.

受光素子801は、サンプルSが発生する外部電磁場の強度分布を検出するために十分な解像度となる画素数、例えば、528×512ピクセルとなる画素802を有する。画素802の大きさが対物レンズ1053による解析限界を超えている場合、個々の画素802は、蛍光PLを適切に検出することが難しくなる。 The light receiving element 801 has pixels 802 with a number of pixels, for example 528 x 512 pixels, that provides sufficient resolution to detect the intensity distribution of the external electromagnetic field generated by the sample S. If the size of the pixels 802 exceeds the analysis limit of the objective lens 1053, it becomes difficult for each pixel 802 to properly detect the fluorescence PL.

画像生成部1036は、例えば、16×16ピクセルの画素802からの信号に対応する検出信号を、まとめる(ビニングする)ことによって、画像生成部1036が生成する画像804を、33×32ピクセルとする。これにより、これにより信号雑音比の向上とダイナミックレンジの増大が可能となる。 The image generating unit 1036 bins (combines) the detection signals corresponding to the signals from the pixels 802 of 16 x 16 pixels, so that the image 804 generated by the image generating unit 1036 is 33 x 32 pixels. This makes it possible to improve the signal-to-noise ratio and increase the dynamic range.

図9を参照して、検出装置10による、検出信号の記録までの処理について説明する。 The process up to recording the detection signal by the detection device 10 will be described with reference to Figure 9.

ステップS901において、制御部103は、パルス発生器104を通じて、レーザ照射器105に、ダイヤモンド結晶101へとレーザ光を照射させる。 In step S901, the control unit 103 causes the laser irradiator 105 to irradiate the diamond crystal 101 with laser light via the pulse generator 104.

ステップS902において、受光信号取得部1034は、撮像装置106を通じてNV中心層202のNV中心からの蛍光強度を示す信号を取得する。取得された蛍光強度は記憶部1031に記憶される。 In step S902, the light receiving signal acquisition unit 1034 acquires a signal indicating the fluorescence intensity from the NV center of the NV center layer 202 through the imaging device 106. The acquired fluorescence intensity is stored in the memory unit 1031.

ステップS903において、電磁波供給制御部1033は、ある周波数の電磁波をアンテナ部102に供給する。 In step S903, the electromagnetic wave supply control unit 1033 supplies electromagnetic waves of a certain frequency to the antenna unit 102.

ステップS904において、制御部103は、レーザ照射器105にダイヤモンド結晶101へとレーザ光を照射させる。 In step S904, the control unit 103 causes the laser irradiator 105 to irradiate the diamond crystal 101 with laser light.

ステップS905において、受光信号取得部1034は、撮像装置106にNV中心層202のNV中心からの蛍光を取得させ、蛍光強度を示す信号を取得する。取得された蛍光強度は記憶部1031に記憶される。 In step S905, the light receiving signal acquisition unit 1034 causes the imaging device 106 to acquire fluorescence from the NV center of the NV center layer 202, and acquires a signal indicating the fluorescence intensity. The acquired fluorescence intensity is stored in the memory unit 1031.

上記ステップS901からステップS905までの処理を繰り返すことによって、複数の周波数について、以下の関係、規格化蛍光強度=(電磁波供給下の蛍光強度)/(電磁波非照射下の蛍光強度)、を満たす規格化蛍光強度を算出する。規格化蛍光強度の一例は、図10に示される。 By repeating the above processes from step S901 to step S905, normalized fluorescence intensities that satisfy the following relationship for multiple frequencies are calculated: normalized fluorescence intensity = (fluorescence intensity with electromagnetic wave applied) / (fluorescence intensity without electromagnetic wave irradiation). An example of normalized fluorescence intensity is shown in FIG. 10.

ステップS906において、電磁波供給制御部1033は、規格化蛍光強度が小さい、すなわち、NV中心がレーザ光に共振することによって電磁波供給下の蛍光強度が小さくなる周波数を選択することができる。例えば、図10における周波数fを共振周波数とすることができる。 In step S906, the electromagnetic wave supply control unit 1033 can select a frequency at which the normalized fluorescence intensity is small, that is, at which the NV center resonates with the laser light, thereby reducing the fluorescence intensity under the supply of electromagnetic waves. For example, the frequency f in FIG. 10 can be set as the resonant frequency.

ステップS907において、信号生成部1032は、信号生成器112を通じて、サンプルSにRF信号を供給する。これによりサンプルSが外部電磁場を発生させる。RF信号は、例えば、周波数が15MHz、電力が-30dBmの信号である。 In step S907, the signal generating unit 1032 supplies an RF signal to the sample S via the signal generator 112. This causes the sample S to generate an external electromagnetic field. The RF signal is, for example, a signal with a frequency of 15 MHz and a power of -30 dBm.

ステップS908において、電磁波供給制御部1033は、アンテナ部102がダイヤモンド結晶101に供給する電磁波の磁場の振幅を選択する。 In step S908, the electromagnetic wave supply control unit 1033 selects the amplitude of the magnetic field of the electromagnetic wave that the antenna unit 102 supplies to the diamond crystal 101.

ステップS909において、電磁波供給制御部1033は、第1シーケンスに従って、周波数が共鳴周波数であり、選択された振幅を有する信号を、ダイヤモンド結晶101に供給する。なお、このときレーザ照射器105はレーザ供給シーケンスに従ってレーザを照射する。 In step S909, the electromagnetic wave supply control unit 1033 supplies a signal having a frequency that is the resonant frequency and a selected amplitude to the diamond crystal 101 according to the first sequence. At this time, the laser irradiator 105 irradiates the laser according to the laser supply sequence.

ステップS910において、制御部103は、レーザ照射器105にダイヤモンド結晶101へとレーザ光を照射させる。 In step S910, the control unit 103 causes the laser irradiator 105 to irradiate the diamond crystal 101 with laser light.

ステップS911において、受光信号取得部1034は、選択された振幅に応じた強度を有する蛍光を、撮像装置106に取得させる。ステップS912において、受光信号取得部1034は取得された強度に基づく受光信号SG1(第3受光信号)を取得し、記憶する。 In step S911, the light receiving signal acquisition unit 1034 causes the imaging device 106 to acquire fluorescence having an intensity according to the selected amplitude. In step S912, the light receiving signal acquisition unit 1034 acquires and stores a light receiving signal SG1 (third light receiving signal) based on the acquired intensity.

ステップS913において、電磁波供給制御部1033は、第2シーケンスに従って、周波数が共鳴周波数であり、選択された振幅を有する信号を、ダイヤモンド結晶101に供給する。なお、このときレーザ照射器105はレーザ供給シーケンスに従ってレーザを照射する。 In step S913, the electromagnetic wave supply control unit 1033 supplies a signal having a frequency that is the resonant frequency and a selected amplitude to the diamond crystal 101 in accordance with the second sequence. At this time, the laser irradiator 105 irradiates a laser in accordance with the laser supply sequence.

ステップS914において、制御部103は、レーザ照射器105にダイヤモンド結晶101へとレーザ光を照射させる。 In step S914, the control unit 103 causes the laser irradiator 105 to irradiate the diamond crystal 101 with laser light.

ステップS915において、受光信号取得部1034は、選択された振幅に応じた強度を有する蛍光を撮像装置106に取得させる。ステップS916において、受光信号取得部1034は取得された強度に基づく受光信号SG2(第4受光信号)を取得し、記憶する。受光信号SG1、受光信号SG2は、いずれも、選択された振幅に応じた強度(第1強度)を有する蛍光(第1蛍光)の強度に基づく受光信号(第1受光信号)である。 In step S915, the light receiving signal acquisition unit 1034 causes the imaging device 106 to acquire fluorescence having an intensity according to the selected amplitude. In step S916, the light receiving signal acquisition unit 1034 acquires and stores a light receiving signal SG2 (fourth light receiving signal) based on the acquired intensity. Both the light receiving signal SG1 and the light receiving signal SG2 are light receiving signals (first light receiving signals) based on the intensity of fluorescence (first fluorescence) having an intensity (first intensity) according to the selected amplitude.

ステップS917において、検出信号生成部1035は、受光信号SG1と受光信号SG2とに基づいて、画像生成部1036が生成する検出画像の各ピクセルに対応する検出信号(第1検出信号)を生成し、記憶する。具体的には、検出信号生成部1035は、各ピクセルについて、受光信号SG1と受光信号SG2との差分をとることで検出信号とする。 In step S917, the detection signal generating unit 1035 generates and stores a detection signal (first detection signal) corresponding to each pixel of the detection image generated by the image generating unit 1036 based on the light receiving signal SG1 and the light receiving signal SG2. Specifically, the detection signal generating unit 1035 calculates the detection signal by calculating the difference between the light receiving signal SG1 and the light receiving signal SG2 for each pixel.

なお、ステップS909からステップS917の処理を複数回繰り返すことによって、検出信号において、受光信号の誤差によるノイズを低減するようにしてもよい。 Note that the processes from step S909 to step S917 may be repeated multiple times to reduce noise in the detection signal due to errors in the received light signal.

ステップS918において、検出信号生成部1035は、外部電磁場に対応して定められた、検出対象となる周波数範囲について、検出信号の記憶が終わったかを判断する。 In step S918, the detection signal generation unit 1035 determines whether storage of the detection signal has been completed for the frequency range to be detected, which is determined in response to the external electromagnetic field.

検出信号が、検出対象の周波数範囲にわたって記憶されていない場合、ステップS908からの処理が繰り返される。このとき、電磁波供給制御部1033は、アンテナ部102がダイヤモンド結晶101に供給する電磁波の磁場の振幅を、既に供給した電磁波の磁場の振幅より大きい振幅の磁場として選択する。これにより、振幅を走査する、すなわち周波数を走査することが可能となる。振幅は、例えば、10.2MHzから20.8MHzまでのラビ周波数に対応する振幅である。 If the detection signal is not stored over the frequency range to be detected, the process from step S908 is repeated. At this time, the electromagnetic wave supply control unit 1033 selects the amplitude of the magnetic field of the electromagnetic wave supplied by the antenna unit 102 to the diamond crystal 101 as a magnetic field having an amplitude greater than the amplitude of the magnetic field of the electromagnetic wave already supplied. This makes it possible to scan the amplitude, i.e., scan the frequency. The amplitude is, for example, an amplitude corresponding to the Rabi frequency from 10.2 MHz to 20.8 MHz.

ステップS908からの処理が繰り返されることによって、選択された他の振幅に応じた強度(第2強度)を有する蛍光(第2蛍光)の強度に基づく受光信号(第2受光信号)として、新たな受光信号SG1と受光信号SG2が繰り返し取得される。検出信号生成部1035は、新たな受光信号SG1と受光信号SG2に基づいて、画像生成部1036が生成する検出画像の各ピクセルに対応する検出信号(第2検出信号)を生成し、記憶する。 By repeating the process from step S908, new light receiving signals SG1 and SG2 are repeatedly acquired as light receiving signals (second light receiving signals) based on the intensity of the fluorescence (second fluorescence) having an intensity (second intensity) according to the other selected amplitude. The detection signal generating unit 1035 generates and stores detection signals (second detection signals) corresponding to each pixel of the detection image generated by the image generating unit 1036 based on the new light receiving signals SG1 and SG2.

検出信号が、検出対象の周波数範囲にわたって記憶されている場合、処理は終了する。 When the detection signal has been stored across the frequency range to be detected, the process ends.

図11から図15を参照して、検出画像の生成処理について、検出画像の例とともに説明する。ここでは、検出信号の記憶は全て終了しているとして、説明する。 The detection image generation process will be described with reference to Figures 11 to 15 along with an example of a detection image. Here, the description will be given assuming that all detection signal storage has been completed.

ステップS1101において、画像生成部1036は、検出範囲における、あるピクセルについて、検出対象の周波数範囲の周波数ごとの検出信号を取得する。 In step S1101, the image generation unit 1036 acquires a detection signal for each frequency in the frequency range to be detected for a pixel in the detection range.

例えば、図12のサンプルSの平面図に示されるように、35μm×35μmの基板205上に幅10μmの配線206が設けられている。検出装置10は、基板205の35μm×35μmの範囲を検出範囲としている。検出画像は、図8で説明したピクセル803を有する画像である。 For example, as shown in the plan view of sample S in FIG. 12, a wiring 206 with a width of 10 μm is provided on a substrate 205 with a size of 35 μm×35 μm. The detection device 10 has a detection range of 35 μm×35 μm on the substrate 205. The detected image is an image having the pixels 803 described in FIG. 8.

ステップS1102において、画像生成部1036は、取得した検出信号が極値をとるピーク周波数を算出する。 In step S1102, the image generation unit 1036 calculates the peak frequency at which the acquired detection signal has an extreme value.

例えば、図13にはあるピクセルにおける、複数の周波数における検出信号の一例が示されている。検出信号は、横軸を周波数とし、縦軸を規格化蛍光強度としてプロットされる。 For example, Figure 13 shows an example of detection signals at multiple frequencies for a pixel. The detection signals are plotted with frequency on the horizontal axis and normalized fluorescence intensity on the vertical axis.

図13における各周波数は、電磁波供給制御部1033がダイヤモンド結晶101に供給する電磁波の磁場の振幅に基づく。磁場の振幅が振幅A1,振幅A2、振幅A3(第3振幅)のそれぞれである場合についての規格化蛍光強度が、図13でそれぞれ矢印によって示される。振幅は、振幅A1,振幅A2、振幅A3の順に大きくなり、それに伴って対応するラビ周波数も順に高くなる。 Each frequency in FIG. 13 is based on the amplitude of the magnetic field of the electromagnetic wave supplied to the diamond crystal 101 by the electromagnetic wave supply control unit 1033. The normalized fluorescence intensity for the magnetic field amplitudes A1, A2, and A3 (third amplitude) are indicated by arrows in FIG. 13. The amplitudes increase in the order of A1, A2, and A3, and the corresponding Rabi frequencies also increase in this order.

図13では、振幅A2すなわち、第2周波数が15MHzである場合に、検出信号は極値をとる。よって、画像生成部1036は、ピーク周波数(第2周波数)として15MHzを算出する。この周波数は、図9のステップS907において、信号生成部1032がサンプルSに供給したRF信号の周波数(15MHz)に対応する。なぜなら、15MHzの外部電磁場の影響を受けるNV中心層202のNV中心は、振幅A2の磁場を有する電磁波を供給されたときに、最も強く蛍光を発するからである。 In FIG. 13, the detection signal has an extreme value when the amplitude A2, i.e., the second frequency, is 15 MHz. Therefore, the image generating unit 1036 calculates 15 MHz as the peak frequency (second frequency). This frequency corresponds to the frequency (15 MHz) of the RF signal supplied to the sample S by the signal generating unit 1032 in step S907 of FIG. 9. This is because the NV center of the NV center layer 202, which is affected by the external electromagnetic field of 15 MHz, emits the strongest fluorescence when supplied with an electromagnetic wave having a magnetic field of amplitude A2.

このように、検出信号の極値をとることで、画像生成部1036は、検出したい外部電磁場の周波数を算出することが可能となる。 In this way, by taking the extreme value of the detection signal, the image generation unit 1036 is able to calculate the frequency of the external electromagnetic field to be detected.

ステップS1103において、画像生成部1036は、検出信号の傾きの変化に基づいて、ピーク周波数前後の、第1周波数と第2周波数を算出する。例えば、検出信号の傾きの絶対値が所定の値より小さくなる周波数として、図13の振幅A1に対応する周波数と振幅A3に対応する周波数のそれぞれを、第1周波数と第2周波数とする。 In step S1103, the image generating unit 1036 calculates a first frequency and a second frequency around the peak frequency based on the change in the slope of the detection signal. For example, the frequencies at which the absolute value of the slope of the detection signal becomes smaller than a predetermined value are set as the first frequency and the second frequency, respectively, to the frequencies corresponding to amplitude A1 and amplitude A3 in FIG. 13.

ステップS1104において、画像生成部1036は、第1周波数における検出信号と第2周波数における検出信号(第3検出信号)に基づいて、背景信号を算出する。具体的には、画像生成部1036は、図13において、第1周波数における規格化蛍光強度を示す点と第2周波数における規格化蛍光強度を示す点とを結ぶ直線を示す式を算出する。画像生成部1036は、算出された直線の式において、周波数を第2周波数とした場合の規格化蛍光強度を算出する。画像生成部1036は、この規格化蛍光強度を背景信号とする。 In step S1104, the image generating unit 1036 calculates a background signal based on the detection signal at the first frequency and the detection signal at the second frequency (third detection signal). Specifically, the image generating unit 1036 calculates an equation representing a straight line connecting a point indicating the normalized fluorescence intensity at the first frequency and a point indicating the normalized fluorescence intensity at the second frequency in FIG. 13. The image generating unit 1036 calculates the normalized fluorescence intensity when the frequency is the second frequency in the equation of the calculated straight line. The image generating unit 1036 regards this normalized fluorescence intensity as the background signal.

ステップS1105において、画像生成部1036は、ピーク周波数における検出信号から背景信号を減算する。 In step S1105, the image generation unit 1036 subtracts the background signal from the detection signal at the peak frequency.

ステップS1106において、画像生成部1036は、背景信号が減算された検出信号であるスピンロッキング信号を、当該ピクセルに関連付けて記憶する。 In step S1106, the image generating unit 1036 stores the spin locking signal, which is the detection signal from which the background signal has been subtracted, in association with the pixel.

ステップS1107において、画像生成部1036は、検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了したかを判断する。 In step S1107, the image generation unit 1036 determines whether calculation of the spin locking signal has been completed for all pixels in the detection range.

検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了していない場合、画像生成部1036は、ステップS1101からS1106までの処理を繰り返す。 If calculation of the spin locking signal has not been completed for all pixels in the detection range, the image generation unit 1036 repeats the processes from steps S1101 to S1106.

検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了した場合、ステップS1108において、画像生成部1036は、スピンロッキング信号に基づいて検出画像を生成する。 When calculation of the spin locking signal has been completed for all pixels in the detection range, in step S1108, the image generation unit 1036 generates a detection image based on the spin locking signal.

図14には、あるy方向の位置における、x方向にわたる各ピクセルにおけるスピンロッキング信号の強度の一例が示される。図14に示されるように、スピンロッキング信号は、図12の配線206のx方向における端部に相当する位置において、大きい値をとる。すなわち、当該位置において、配線206が強い外部電磁場を発していること及び、その周波数は15MHzであることがわかる。 Figure 14 shows an example of the strength of the spin locking signal at each pixel across the x direction at a certain y direction position. As shown in Figure 14, the spin locking signal has a large value at a position corresponding to the end of the wiring 206 in Figure 12 in the x direction. In other words, it can be seen that at that position, the wiring 206 is emitting a strong external electromagnetic field, and that the frequency is 15 MHz.

図15には、画像生成部1036が生成した検出画像1501の一例が示される。図14のようなスピンロッキング信号がy方向の各ピクセルにおいて算出されている。したがって、図12の配線206のx方向における端部に相当する位置において、スピンロッキング信号が大きい値をとることが可視化されている。 Figure 15 shows an example of a detection image 1501 generated by the image generating unit 1036. The spin locking signal as shown in Figure 14 is calculated for each pixel in the y direction. Therefore, it is visualized that the spin locking signal has a large value at the position corresponding to the end of the wiring 206 in Figure 12 in the x direction.

検出画像1501は、スピンロッキング信号に基づいて、配線206が発する電磁波の可視化を行った結果得られる画像である。検出画像1501は、ダイヤモンド結晶101を励起するラビ周波数を走査することによって、配線206が発する電磁波の可視化を行っている。 Detection image 1501 is an image obtained by visualizing the electromagnetic waves emitted by wiring 206 based on the spin locking signal. Detection image 1501 visualizes the electromagnetic waves emitted by wiring 206 by scanning the Rabi frequency that excites diamond crystal 101.

以上本実施形態について説明した。検出装置10では、ダイヤモンド結晶101の表面からNV中心層202の距離(約10nm)によって空間分解能が制限され、空間分解能を格段に向上させることが可能である。また、検出画像の画素数は配線の本数で制限されない。NV中心のインダクタンスは極小であり、センサ間、センサと対象物間の相互干渉の影響を避けられる。よって検出装置10は、電磁波の検出感度を格段に向上させることが可能である。検出装置10は、数学的な処理を行うことによって、透明・不透明材料によらない誘電率変化の可視化や、電子回路の電流経路や分布を推定し可視化する技術へも応用可能となる。 The present embodiment has been described above. In the detection device 10, the spatial resolution is limited by the distance (approximately 10 nm) from the surface of the diamond crystal 101 to the NV center layer 202, making it possible to significantly improve the spatial resolution. In addition, the number of pixels in the detected image is not limited by the number of wirings. The inductance of the NV center is extremely small, and the effects of mutual interference between sensors and between the sensor and the target object can be avoided. Therefore, the detection device 10 can significantly improve the detection sensitivity of electromagnetic waves. By performing mathematical processing, the detection device 10 can also be applied to visualization of dielectric constant changes regardless of whether the material is transparent or opaque, and technology for estimating and visualizing the current path and distribution of electronic circuits.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 The above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The elements of the embodiments, as well as their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, etc., are not limited to those exemplified, and may be modified as appropriate.

10…検出装置、101…ダイヤモンド結晶、102…アンテナ部、204…アンテナ、103…制御部、104…パルス発生器、105…レーザ照射器、106…撮像装置、107…局所発振器、108…任意波形生成器、109…ミキサ、110…スイッチ、111…増幅器、112…信号生成器、S…サンプル、201…ダイヤモンド結晶層、202…NV中心層、203,205…基板、206…配線、1031…記憶部、1032…信号生成部、1033…電磁波供給制御部、1034…受光信号取得部、1035…検出信号生成部、1036…画像生成部 10...detection device, 101...diamond crystal, 102...antenna unit, 204...antenna, 103...control unit, 104...pulse generator, 105...laser irradiator, 106...imaging device, 107...local oscillator, 108...arbitrary waveform generator, 109...mixer, 110...switch, 111...amplifier, 112...signal generator, S...sample, 201...diamond crystal layer, 202...NV center layer, 203, 205...substrate, 206...wiring, 1031...storage unit, 1032...signal generation unit, 1033...electromagnetic wave supply control unit, 1034...received light signal acquisition unit, 1035...detection signal generation unit, 1036...image generation unit

Claims (6)

NV中心を有するダイヤモンド結晶と、
所定の供給シーケンスに従って、第1振幅の磁場を有する第1電磁波又は前記第1振幅とは異なる第2振幅の磁場を有する第2電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、前記ダイヤモンド結晶に供給する電磁波供給部と、
前記ダイヤモンド結晶に、前記NV中心を励起するレーザを照射するレーザ照射部と、
前記レーザにより励起された前記NV中心から、前記第1電磁波の前記第1振幅に応じた第1強度を有する第1蛍光を受光し、前記レーザにより励起された前記NV中心から、前記第2電磁波の前記第2振幅に応じた第2強度を有する第2蛍光を受光する受光素子を有し、受光信号として、前記第1蛍光に基づく第1受光信号及び前記第2蛍光に基づく第2受光信号を取得する、受光部と、
検出信号として、前記第1受光信号に基づく第1検出信号と前記第2受光信号に基づく第2検出信号とを生成する検出信号生成部と、
前記第1検出信号及び前記第2検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成する画像生成部と、を備える検出装置。
A diamond crystal having NV centers;
an electromagnetic wave supply unit that supplies, in accordance with a predetermined supply sequence, to the diamond crystal, either a first electromagnetic wave having a magnetic field of a first amplitude or a second electromagnetic wave having a magnetic field of a second amplitude different from the first amplitude;
a laser irradiation unit that irradiates the diamond crystal with a laser that excites the NV center;
a light receiving unit having a light receiving element that receives a first fluorescence having a first intensity corresponding to the first amplitude of the first electromagnetic wave from the NV center excited by the laser and receives a second fluorescence having a second intensity corresponding to the second amplitude of the second electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, and obtains a first light receiving signal based on the first fluorescence and a second light receiving signal based on the second fluorescence as light receiving signals;
a detection signal generating unit that generates, as detection signals, a first detection signal based on the first light receiving signal and a second detection signal based on the second light receiving signal;
and an image generating unit that generates a detection image showing the distribution of the intensity of the external electromagnetic field incident on the diamond crystal based on the first detection signal and the second detection signal.
請求項1に記載の検出装置であって、
前記第2振幅は前記第1振幅より大きく、
前記電磁波供給部は、前記第1電磁波、前記第2電磁波又は前記第2振幅より大きい第3振幅の磁場を有する第3電磁波のいずれかの電磁波を、前記供給シーケンスに従って前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記受光部は、前記レーザにより励起された前記NV中心から、前記第3電磁波の前記第3振幅に応じた第3強度を有する第3蛍光を受光し、前記第3蛍光に基づく第3受光信号を前記受光信号として取得し、
前記検出信号生成部は、
前記検出信号として、第3受光信号に基づく第3検出信号を生成し、
前記画像生成部は、前記第1検出信号と前記第3検出信号とに基づいて、背景信号を算出し、
前記第2検出信号から前記背景信号を除いた信号に基づいて、前記検出画像を生成する、検出装置。
2. The detection device according to claim 1,
the second amplitude is greater than the first amplitude;
the electromagnetic wave supplying unit supplies any one of the first electromagnetic wave, the second electromagnetic wave, and a third electromagnetic wave having a magnetic field of a third amplitude greater than the second amplitude to the diamond crystal in accordance with the supply sequence;
the light receiving unit receives a third fluorescence having a third intensity corresponding to the third amplitude of the third electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, and obtains a third received light signal based on the third fluorescence as the received light signal;
The detection signal generating unit
generating a third detection signal based on a third light receiving signal as the detection signal;
The image generating unit calculates a background signal based on the first detection signal and the third detection signal,
The detection device generates the detection image based on a signal obtained by removing the background signal from the second detection signal.
請求項1又は2に記載の検出装置であって、
前記供給シーケンスは第1供給シーケンスと第2供給シーケンスとを含み、
前記電磁波供給部は、
前記第1供給シーケンスにおいて、
前記NV中心のスピン状態を第1スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第1スピン状態の第1スピン方向に振動する磁場を有し、前記スピン状態を第2スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第2スピン状態を第3スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第2供給シーケンスにおいて、
前記スピン状態を前記第1スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記スピン状態を前記第2スピン状態とする、前記第1スピン方向に振動する磁場を有する前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第2スピン状態を前記第3スピン状態のスピン方向と反対のスピン方向を有する第4スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記受光部は、前記第3スピン状態にある前記NV中心から発された第3受光信号と前記第4スピン状態にある前記NV中心から発された第4受光信号とを取得し、
前記検出信号生成部は、前記第3受光信号と前記第4受光信号との差に基づいて前記検出信号を生成する、検出装置。
3. The detection device according to claim 1 or 2,
the supply sequence includes a first supply sequence and a second supply sequence;
The electromagnetic wave supply unit includes:
In the first supply sequence,
supplying the supply electromagnetic wave to the diamond crystal such that the spin state of the NV center is a first spin state;
supplying to the diamond crystal an electromagnetic wave having a magnetic field oscillating in a first spin direction of the first spin state, the electromagnetic wave causing the spin state to become a second spin state;
supplying to the diamond crystal the supply electromagnetic wave that causes the second spin state to become a third spin state;
In the second supply sequence,
supplying the supply electromagnetic wave to the diamond crystal such that the spin state is the first spin state;
supplying to the diamond crystal an electromagnetic wave having a magnetic field oscillating in the first spin direction, which causes the spin state to become the second spin state;
supplying to the diamond crystal the supply electromagnetic wave that causes the second spin state to become a fourth spin state having a spin direction opposite to that of the third spin state;
the light receiving unit acquires a third light receiving signal emitted from the NV center in the third spin state and a fourth light receiving signal emitted from the NV center in the fourth spin state;
The detection device, wherein the detection signal generating unit generates the detection signal based on a difference between the third light receiving signal and the fourth light receiving signal.
請求項3に記載の検出装置であって、
前記電磁波供給部は、
前記第2供給シーケンスにおいて、前記第1供給シーケンスにおける前記スピン状態を前記第3スピン状態とする前記電磁波の位相と180度異なる位相を有し、前記スピン状態を前記第4スピン状態とする前記電磁波を供給する、検出装置。
4. The detection device according to claim 3,
The electromagnetic wave supply unit includes:
a detection device that supplies, in the second supply sequence, an electromagnetic wave having a phase that is 180 degrees different from a phase of the electromagnetic wave that sets the spin state to the third spin state in the first supply sequence, and sets the spin state to the fourth spin state.
請求項1から4のいずれか一項に記載の検出装置であって、
前記ダイヤモンド結晶は、前記ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、前記ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する複数の前記NV中心を有する、検出装置。
A detection device according to any one of claims 1 to 4,
A detection device, wherein the diamond crystal has a plurality of NV centers distributed within a surface of the diamond crystal and occupying a predetermined volume in the diamond crystal.
電磁波検出方法であって、
検出装置が、
所定の供給シーケンスに従って、第1振幅の磁場を有する第1電磁波又は前記第1振幅とは異なる第2振幅の磁場を有する第2電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、NV中心を有するダイヤモンド結晶に供給することと、
前記ダイヤモンド結晶に、前記NV中心を励起するレーザを照射することと、
前記レーザにより励起された前記NV中心から、前記第1電磁波の前記第1振幅に応じた第1強度を有する第1蛍光を受光し、前記レーザにより励起された前記NV中心から、前記第2電磁波の前記第2振幅に応じた第2強度を有する第2蛍光を受光することと、
受光信号として、前記第1蛍光に基づく第1受光信号及び前記第2蛍光に基づく第2受光信号を取得することと、
検出信号として、前記第1受光信号に基づく第1検出信号と前記第2受光信号に基づく第2検出信号とを生成することと、
前記第1検出信号及び前記第2検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成すること、とを含む
電磁波検出方法。
1. An electromagnetic wave detection method, comprising:
The detection device is
supplying, according to a predetermined supply sequence, either a first electromagnetic wave having a magnetic field of a first amplitude or a second electromagnetic wave having a magnetic field of a second amplitude different from the first amplitude, to a diamond crystal having NV centres;
irradiating the diamond crystal with a laser that excites the NV centers;
receiving a first fluorescence having a first intensity corresponding to the first amplitude of the first electromagnetic wave from the NV center excited by the laser, and receiving a second fluorescence having a second intensity corresponding to the second amplitude of the second electromagnetic wave from the NV center excited by the laser;
acquiring, as light receiving signals, a first light receiving signal based on the first fluorescence and a second light receiving signal based on the second fluorescence;
generating, as detection signals, a first detection signal based on the first light receiving signal and a second detection signal based on the second light receiving signal;
generating a detection image showing a distribution of intensity of an external electromagnetic field incident on the diamond crystal based on the first detection signal and the second detection signal.
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