ナノスケールNMRおよびESR分光法の量子ダイヤモンド分光計

ダイヤモンド内の窒素のvacancy（NV）量子欠陥は、磁場の敏感な検出器です。原子サイズと光学的読み出し機能により、ダイヤモンド表面上のナノスケールサンプルの磁気共鳴分光法に使用されています。ここでは、NVダイヤモンドチップを製造するためのプロトコルを提示し、ナノスケールボリュームでNMRおよび電子スピン共鳴（ESR）分光法を実行するためのシンプルで低コストの「量子ダイヤモンド分光計」を構築および操作するためのプロトコルを提示します。この機器は、市販のダイヤモンドチップに基づいており、NVアンサンブルがダイヤモンド表面の深さから10 nmの深さでイオンインプラントされています。分光計は低磁場（〜300 g）で動作し、NVスピンの準備、操作、および読み出しに標準的な光学およびマイクロ波（MW）コンポーネントが必要です。ナノスケールのプロトンとフッ素NMR分光法のこのデバイスの有用性、および弛緩測定を介した遷移金属の検出について実証します。機器、ダイヤモンド基板、およびユーザーエクスペリエンスの可用性に応じて、完全なプロトコルは実装に2〜3か月かかると推定しています。

Nitrogen-vacancy (NV) quantum defects in diamond are sensitive detectors of magnetic fields. Owing to their atomic size and optical readout capability, they have been used for magnetic resonance spectroscopy of nanoscale samples on diamond surfaces. Here, we present a protocol for fabricating NV diamond chips and for constructing and operating a simple, low-cost 'quantum diamond spectrometer' for performing NMR and electron spin resonance (ESR) spectroscopy in nanoscale volumes. The instrument is based on a commercially available diamond chip, into which an NV ensemble is ion-implanted at a depth of ~10 nm below the diamond surface. The spectrometer operates at low magnetic fields (~300 G) and requires standard optical and microwave (MW) components for NV spin preparation, manipulation, and readout. We demonstrate the utility of this device for nanoscale proton and fluorine NMR spectroscopy, as well as for the detection of transition metals via relaxometry. We estimate that the full protocol requires 2-3 months to implement, depending on the availability of equipment, diamond substrates, and user experience.