NV中心と呼ばれる格子欠陥を導入したダイヤモンドを原子スケールの空間分解能を持つ原子間力顕微鏡（AFM）の探針（プローブ）に用い、二次元層状物質の表面近傍の電場をフェムト秒（1000兆分の1秒）・ナノメートル（10億分の1メートル）の時空間分解能で計測することに成功しました。

　ダイヤモンドの結晶中に不純物として窒素（Nitrogen）が存在すると、すぐ隣に炭素原子の抜け穴（空孔：Vacancy）ができることがあります。これをNitrogen-Vacancy（NV）中心と言います。そして、NV中心を導入したダイヤモンドに電界を加えると、その屈折率が変化するようになります。これは電気光学（EO）効果と呼ばれる現象で、ダイヤモンド単体では実現していませんでした。

　本研究チームはこれまでに、NV中心を導入した高純度ダイヤモンドに1000兆分の1秒という極めて短時間だけパルス光を放出するフェムト秒レーザーを照射し、ダイヤモンドのEO効果を計測することで、ダイヤモンドの格子振動ダイナミックスを動的に高感度に検出することに成功しています。このことは、ダイヤモンドが超高速応答するEO結晶として利用可能で、電場を検出する探針（ダイヤモンドNVプローブ）となり得ることを示しています。

　そこで本研究では、NV中心を導入したダイヤモンドの超高速EO効果と、原子スケールの空間分解能を有する原子間力顕微鏡（AFM）技術とを融合し、フェムト秒（fs＝1000兆分の1秒）の時間分解能とナノメートル（nm＝10億分の1メートル）の空間分解能で局所的な電場のダイナミックスを測定できる、時空間極限電場センシング技術を開発しました。そして、このセンシング技術を用いることで、二次元の原子層が層状に重なった二次元層状物質であるセレン化タングステン（WSe₂）試料の表面近くの電場を500nm以下かつ100fs以下の時空間分解能でセンシングできました。

　ダイヤモンドNVプローブはスピンや温度の変化にも感度があるため、本研究成果は、電場の検出に加え、磁場や温度を検出するためのセンシング技術としても展開されることが期待されます。

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プレスリリース

研究代表者

筑波大学数理物質系
長谷 宗明　教授

北陸先端科学技術大学院大学ナノマテリアル・デバイス研究領域
安 東秀　准教授

慶應義塾大学理工学部
ポール フォンス　講師（研究当時、同大学同学部電気情報工学科教授）

掲載論文

【題名】

An ultrafast diamond nonlinear photonic sensor.
（超高速ダイヤモンド非線形光センサー）

【掲載誌】

Nature Communications

【DOI】

10.1038/s41467-025-63936-8

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