研究概要

ダイヤモンドNV中心

ダイヤモンドは、炭素のみから構成されるダイヤモンド構造をもつ半導体です。リンをドーピングすることでn型ダイヤモンドが、ボロンをドーピングすることでp型ダイヤモンドが実現しています。その中で我々は、窒素と空孔がペアになった窒素―空孔(NV)中心に着目し、研究を行っています。NV中心は、室温下でも1つのNV中心のスピン状態を操作、検出することができ、長いコヒーレンス時間を有しています。そのため、室温動作可能な量子情報処理デバイスや量子センサへの応用に向けた研究が行われています。 我々は、これらの量子デバイスの集積化や高度化を目指し、ダイヤモンドNV中心のスピンの電気的検出や制御技術の確立し、スピントロニクスデバイス材料との融合した新分野を開拓しています。

電気的磁気共鳴検出

ダイヤモンドNV中心の電気的磁気共鳴検出は、NV中心から励起される光電流量の磁気共鳴による変化を観測します。我々は、独自の電気的磁気共鳴検出装置を構築することで、NV中心の窒素核スピンコヒーレンスの電気的検出やAC磁場検出などを実証してきました。加えて、電気的的な検出技術を利用した量子デバイスの高度化に向けてその検出原理解明を行っています。
Physical Review Applied 19, 034061 (2023) .

　　

NV中心の核スピンコヒーレンスの電気的検出

ダイヤモンド中の核スピンは環境ノイズの影響を受けにくいことから、NV中心の電子スピンと比べても長いコヒーレンス時間を有します。そのためダイヤモンド中の核スピンは、ダイヤモンド量子デバイス中で量子メモリとしての動作が期待されています。そこで、この核スピンの電気的検出を目指し、電気的電子核二重共鳴装置を開発し、室温下での核スピンコヒーレンスの電気的検出しました。本研究で観測した室温下での核スピンコヒーレンスの電気的検出は、シリコンや有機半導体を含め固体中で初めて成果になります。
本成果は、Scientific Reports, 10, 792 (2020). より報告し、Top 100 in Physics in 2020に選ばれた。

　　

電気的磁気共鳴法を利用したAC磁場検出

　　ダイヤモンドNV中心を利用した磁気センサの研究では、NV中心のスピンの光学的な検出法を用いた実証研究が多く、電気的な手法を用いた実証研究は殆ど行われていませんでした。そこで、量子センサの小型化による集積化や高感度化を目指し、電気的検出手法を用いたAC磁場センシングを行いました。本成果は、電気的な検出手法とパルスシーケンスを用いてスピンコヒーレンスを利用したAC磁場センシングの初めての成果になります。
Physical Review Applied 19, 034061 (2023) .

ダイヤモンドNV中心のドレスト状態

ダイヤモンドNV中心の量子センサの高感度化に向けて、マイクロ波照射によるドレスト状態の生成やその原理解明を行っています。マイクロ波ドレスト状態は、2つのマイクロ波のNV中心に照射することで生成される状態であり、本状態を生成することで、コヒーレンス時間(T₂)の長時間化などを実証し、高感度な磁場センサの提案をしています。
Scientific Reports, 9, 13318 (2019).

　　

ダイヤモンドスピントロニクス

　　ダイヤモンドは、炭素のみで構成されているため、スピン軌道相互作用が弱いため、長いスピン拡散長がをもつことが期待されています。我々は、NiFe/p-type diamond構造を用いてNiFeの強磁性共鳴下での起電力を初めて観測し、ダイヤモンド半導体スピントロニクスデバイスの実現に向けて、ダイヤモンドへのスピン注入研究を行っています。
Solid State Communications, 243, 44 (2016).

実験装置

写真館

 

Members

役職	氏名	居室	内線	E-mail
准教授 (PI)	森下 弘樹	317	5949	morishita.hiroki.d8

外線は、022-217-を内線の前につけてください。
E-mailは、tohoku.ac.jp をつけて下さい。
居室は、片平キャンパス 材料科学高等研究所 AIMR別館内です。

研究成果

論文リスト 、 解説論文 、 受賞 、 招待講演

論文リスト

^* = corresponding author
^† = first equlally

“Spin-dependent dynamics of photocarrier generation in electrically detected nitrogen-vacancy-based quantum sensing,”
Hiroki Morishita^*, Naoya Morioka, Tetsuri Nishikawa, Hajime Yao, Shinobu Onoda, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, and Norikazu Mizuochi^*
Physical Review Applied 19, 034061 (2023) .
doi: 10.1103/PhysRevApplied

“Electroluminescence of negatively charged single NV centers in diamond,”
M. Haruyama^*, H. Kato, M. Ogura, Y. Kato, D. Takeuchi, S. Yamasaki, T. Iwasaki, H. Morishita, M. Fujiwara, N. Mizuochi, and T. Makino
Appied Physics Letters 122, 072101 (2023) .
doi: 10.1063/5.0138050

“Broadband microwave antenna for uniform manipulation of millimeter-scale volumes of diamond quantum sensors,”
Y. Takemura, K. Hayashi, Y. Yoshii, M. Saito, S. Onoda, H. Abe, T. Ohshima, T. Taniguchi, M. Fujiwara, H. Morishita, I. Ohki, and N. Mizuochi^*,
Journal of Appied Physics 132, 224501 (2022) .
doi: 10.1063/5.0128406

“Electrical detection of nuclear spin via silicon vacancy in silicon carbide at room temperature,”
T. Nishikawa, N. Morioka^*, H. Abe, H. Morishita, T. Ohshima, N. Mizuochi^*,
Appied Physics Letters 121, 184005 (2022) .
doi: 10.1063/5.0115928

“The Anomalous Formation of Irradiation Induced Nitrogen-Vacancy Centers in 5-Nanometer-Sized Detonation Nanodiamonds,”
F. T.-K. So, A. I. Shames, D. Terada, T. Genjo, H. Morishita, I. Ohki, T. Ohshima, S. Onoda, H. Takahsima, S. Takeuchi, N. Mizuochi, R. Igarashi, M. Shirakawa^*, T. F. Segawa^*,
The Journal of Physical Chemistry C, 126, 5206-5217 (2022) .
doi: 10.1021/acs.jpcc.1c10466
arXiv: 2112.06909

“Room Temperature Electrically Detected Nuclear Spin Coherence of NV Centres in Diamond, ”
H. Morishita^*, S. Kobayashi, M. Fujiwara, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, N. Mizuochi^*,
Scientific Reports, 10, 792 (2020).
doi: 10.1038/s41598-020-57569-8.
arXiv: 1803.01161.
One of the top 100 downloaded physics papers for Scientific Reports in 2020.

“Electrical Control for Extending the Ramsey Spin Coherence Time of Ion-Implanted Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond, ”
S. Kobayashi, Y. Matsuzaki, H. Morishita, S. Miwa, Y. Suzuki, M. Fujiwara, N. Mizuochi^*,
Physical Review Applied, 14, 044033 (2020)..
doi: 10.1103/PhysRevApplied.14.044033.
arXiv: 2009.01990.

“Experimental and Theoretical Analysis of Noise Strength and Environmental Correlation Time for Ensembles of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond,”
K. Hayashi^*, Y. Matsuzaki, T. Ashida, S. Onoda, H. Abe, T. Ohshima, M. Hatano, T. Taniguchi, H. Morishita, M. Fujiwara, N. Mizuochi^*,
Journal of the Physical Society of Japan, 89, 054708 (2020).
doi: 10.7566/JPSJ.89.054708.
arXiv: 1907.09095.

“ Ultra-long coherence times amongst room-temperature solid-state spins, ”
E. D. Herbschleb^*, H. Kato, Y. Maruyama, T. Danjo, T. Makino, S. Yamasaki, I. Ohki, K. Hayashi, H. Morishita, M. Fujiwara, N. Mizuochi^*,
Nature Communications, 10, 3766 (2019).
doi: 10.1038/s41467-019-11776-8.

“ Extension of the Coherence Time by Generating MW Dressed States in a Single NV Centre in Diamond, ”
H. Morishita^*,†, T. Tashima^*,†, D. Mima, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, M. Fujiwara, N. Mizuochi^*,
Scientific Reports, 9, 13318 (2019).
doi: 10.1038/s41598-019-49683-z.
arXiv: 1707.04702

“ Experimental demonstration of two-photon magnetic resonances in a single-spin-system of a solid, ”
T. Tashima^*,†, H. Morishita^*,†, N. Mizuochi^*,
Physical Review A, 100, 023801 (2019).
doi: 10.1103/PhysRevA.100.023801.
arXiv: 1712.04615.

“ Optimization of Temperature Sensitivity Using the Optically Detected Magnetic-Resonance Spectrum of a Nitrogen-Vacancy Center Ensemble, ”
K. Hayashi^*, Y. Matsuzaki, T. Taniguchi, T. Shimo-Oka, I. Nakamura, S. Onoda, T. Ohshima, H. Morishita, M. Fujiwara, S. Saito, N. Mizuochi^*,
Physical Review Applied, 10, 034009 (2018).
doi: 10.1103/PhysRevApplied.10.034009.

“ Engineering of Fermi level by nin diamond junction for control of charge states of NV centers, ”
T. Murai, T. Makino, H. Kato, M. Shimizu, D. E. Herbschleb, Y. Doi, H. Morishita, M. Fujiwara, M. Hatano, S. Yamasaki, N. Mizuochi^*,
Applied Physics Letters, 112, 111903 (2018).
doi: 10.1063/1.5010956.
News in AIP Publishing

“ Electron paramagnetic resonance study of MgO thin-film grown on silicon, ”
K. Hayashi, Y. Matsumura, S. Kobayashi, H. Morishita, H. Koike, S. Miwa, N. Mizuochi, Y. Suzuki,
Journal of Applied Physics, 121, 213901 (2017).
doi: 10.1063/1.4983752

“ Ferromagnetic-resonance induced electromotive forces in Ni₈₁Fe₁₉ | p-type diamond, ”
N. Fukui, H. Morishita^*, S. Kobayashi, S. Miwa, N. Mizuochi^*, Y. Suzuki,
Solid State Communications, 243, 44 (2016).
doi: 10.1016/j.ssc.2016.06.001

“ Optically detected magnetic resonance of high-density ensemble of NV- centers in diamond, ”
Y. Matsuzaki^*, H. Morishita, T. Tashima, K. Kakuyanagi, K. Semba, W. J. Munro, H. Yamaguchi, N. Mizuochi, S. Saito,
Journal of Physics: Condensed Matter, 28, 275302 (2016).
doi: 10.1088/0953-8984/28/27/275302.
arXiv: 1508.04501

“ Pure negatively charged state of the NV center in n-type diamond, ”
Y. Doi, T. Fukui, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, T. Tashima, H. Morishita, S. Miwa, F. Jelezko, Y. Suzuki, N. Mizuochi^*,
Physical Review B, 93, 081203(R) (2016).
doi: 10.1103/PhysRevB.93.081203.

“ Tunnel anisotropic magnetoresistance in CoFeB vertical bar MgO vertical bar Ta junctions, ”
S. Hatanaka, S. Miwa^*, K. Matsuda, K. Nawaoka, K. Tanaka, H. Morishita, N. Mizuochi, T. Shinjo, Y. Suzuki,
Applied Physics Letters, 107, 082407 (2015).
doi: 10.1063/1.4929682.

“ Pulsed low-field electrically detected magnetic resonance, ”
L. Dreher^*, F. Hoehne, H. Morishita, H. Huebl, M. Stutzmann, K. M. Itoh, M. S. Brandt,
Physical Review B, 91, 075314 (2015).
doi: 10.1103/PhysRevB.91.075314.

“ Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy centers in diamond, ”
T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, Y. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T. Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M. Hatano, Y. Sakagawa, H. Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y. Suzuki, N. Mizuochi^*,
Applied Physics Express, 7, 055201 (2014).
doi: 10.7567/APEX.7.055201.
Selected in SPOTLIGHTS

“ Mechanisms of spin-dependent dark conductivity in films of a soluble fullerene derivative under bipolar injection, ”
H. Morishita, W. J. Baker, D. P. Waters, R. Baarda, J. M. Lupton^*, C. Boehme^*,
Physical Review B 89, 125311 (2014).
doi:10.1103/PhysRevB.89.125311.

“ Deterministic Electrical Charge-State Initialization of Single Nitrogen-Vacancy Center in Diamond, ”
Y. Doi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, H. Morishita, T. Tashima, S. Miwa, S. Yamasaki, J. Wrachtrup, Y. Suzuki, N. Mizuochi^*,
Physical Review X 4, 011057 (2014).
doi: 10.1103/PhysRevX.4.011057.

“ Robust absolute magnetometry with organic thin-film devices, ”
W. J. Baker, K. Ambal, D. P. Waters, R. Baarda, H. Morishita, K. van Schooten, D. R. McCamey, J. M. Lupton, C. Boehme^*
Nature Communications 3, 898 (2012).
doi:10.1038/ncomms1895
Featured in a News and Views by Joseph Shinar in Nature Materials.
Featured in a News and Views by Stefano Sanvito and V. Alek Dediu in Nature Nanotechnology.

“ Electrical detection of cross relaxation between electron spins of phosphorus and oxygen-vacancy centers in silicon, ”
W. Akhtar, H. Morishita, K. Sawano, Y. Shiraki, L. S. Vlasenko, K. M. Itoh^*,
Physcial Review B 84, 045204 (2011).
doi:10.1103/PhysRevB.84.045204

“ Linewidth of Low-Field Electrically Detected Magnetic Resonance of Phosphorus in Isotopically Controlled Silicon, ”
H. Morishita, E. Abe, W. Akhtar, L. S. Vlasenko, A. Fujimoto, K. Sawano, Y. Shiraki, L. Dreher, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, M. L. W. Thewalt, M. S. Brandt, K. M. Itoh^* Applied Physics Express 4, 021302 (2011).
doi: 10.1143/APEX.4.021302
Selected for the Journal's Top 20 Most Downloaded Articles on January 2011.

“ Electrical detection and magnetic-field control of spin states in phosphorus-doped silicon, ”
H. Morishita, L. S. Vlasenko, H. Tanaka, K. Semba, K. Sawano, Y. Shiraki, M. Eto, K. M. Itoh^*,
Physcial Review B 80, 205206 (2009)
doi: 10.1103/PhysRevB.80.205206
Selected for the December 2009 issue (Vol. 9, Issue 12 ) of Vir. J. Quantum Inf.

“ Electrically detected magnetic resonance of phosphorous due to spin dependent recombination with triplet centers in γ-irradiated silicon, ”
W. Akhtar, H. Morishita, L. S. Vlasenko, D. S. Poloskin, K. M. Itoh^*
Physica B 404, 4583-4585 (2009).
doi: 10.1016/j.physb.2009.08.116

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