学術論文は、新しい技術がどこで活用されているかを示します。博士論文はさらに一歩踏み込んだ存在です。複数年にわたって新しい測定系、手法、実験が構築され、その過程で使用される計測機器が研究の重要な一部となっていきます。
2026年に、heliCam™を画像化磁場計測に活用した博士論文が3件同時に発表されたことを、私たちは大変嬉しく思っています。メリーランド大学における2件の研究は、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（NVセンター）を基盤とするQuantum Diamond Microscopyを扱っています。フラウンホーファー物理計測研究所（IPM）における3件目の研究は、薄いルビジウム蒸気セルを用いた画像化ゼロ磁場磁力測定を対象としています。
物理的なアプローチは大きく異なりますが、共通する課題が一つあります。それは、時間的に変調された微小な光信号を、空間分解能を保ちながら高感度で検出する必要があるという点です。ここで、heliCam™のピクセル並列Lock-in検出が特別な可能性を提供します。
Zechuan Yin：パルス測定法によるQuantum Diamond Microscopy
Zechuan Yinは、メリーランド大学における博士論文「Advanced Quantum Magnetic Microscopy With Solid-State Spin Ensemble in Diamond」において、次世代のQuantum Diamond Microscope（QDM）を開発しています。
ダイヤモンド中のNVセンターは、高感度な磁場センサーとして利用でき、光学的に読み出すことができます。Quantum Diamond Microscopeでは、こうしたNVセンターのアンサンブルを用いることで、単一点だけでなく、画像視野全体にわたって磁場を取得することが可能になります。
本研究の重点の一つは、この原理を先進的なパルス量子センシング手法へと拡張することです。そのために、開発されたQDMプラットフォームは、高速Lock-inカメラとArbitrary Waveform Generator（AWG）を組み合わせています。
このプラットフォームにより、Ramseyシーケンスを用いた静的・広帯域の磁場イメージング、ダイナミカルデカップリングプロトコルを用いた狭帯域測定、さらにCoherently Averaged Synchronized Readout（CASR）によるNMRイメージングなどが可能になります。
高速Lock-in検出により、変調された蛍光信号を画像視野全体にわたって並列に評価することが可能となり、既存のパルス量子センシング手法をイメージング測定へと展開する上で重要な役割を果たしています。
Jiashen Tang：高い時間分解能を持つ動的磁場の測定
博士論文「Advancing Quantum Diamond Sensing for Dynamic Magnetic Imaging and Directional Rare-Event Detection」も、同じくメリーランド大学でJiashen Tangによって執筆されました。
論文の前半でTangは、静的および動的磁場を画像化測定するためのパルスQuantum Diamond Microscopeを開発しています。本システムは、Double-Quantum Ramsey磁力測定、スピンバスドライビング、そして高速Lock-in検出を組み合わせています。
これにより、本研究は1ミリ秒未満の時間分解能と、マイクロメートル規模の空間分解能を同時に実現する磁場イメージングを実証しています。安定した平均化処理により、ピコテスラ領域まで磁場を分解することが可能です。
こうした特性は、電子回路、新規材料、あるいは生体システムなど、微弱かつ時間的に変化する磁場を対象とする用途において特に有用です。
本論文のさらなる部分では、NVセンターを希少事象とその方向情報を検出するセンサーとして活用する研究が扱われています。この研究分野は異なる測定コンセプトに基づいており、同時に今日のダイヤモンド量子センシングの幅広さを示すものとなっています。
Ronja Rasser：薄いルビジウム蒸気セルにおける7,000点を超える測定点
Ronja Rasserは、フラウンホーファー物理計測研究所（IPM）における博士論文「Abbildende Nullfeldmagnetometrie mit dünnen Rubidiumdampfzellen」において、異なる物理的アプローチを採用しています。
ここでは、ダイヤモンド中のNVセンターではなく、光ポンピングされたルビジウム原子が磁場センサーとして機能します。わずか厚さ300µmのルビジウム蒸気セルが、広範囲にわたって光学的に読み出されます。局所磁場はスピン偏極した原子の光学特性に影響を与え、その結果生じる透過光の変調が、heliCam™によって空間分解された形で検出されます。
本システムは、単一の蒸気セルによって、直径約4mmの円形領域内に7,000点を超える個別の測定点を実現しています。達成された空間分解能は約40µmです。
これにより静的な磁場だけでなく動的な磁場も検出できることが、130Hzで振動する磁場勾配の測定によって実証されています。こうして、単一の蒸気セルから二次元の磁場カメラが実現されます。
この成果から生まれたOptics Express誌の論文については、既に私たちの記事「heliCam™を用いた3件の新たな研究論文 ― 磁場からミリ波へ」でご紹介しています。今回発表された博士論文は、これらの研究を画像化ゼロ磁場磁力計の開発というより大きな文脈に位置づけるものです。
3件の博士論文 ― 2つのセンサーコンセプト ― 1つの共通する測定原理
ダイヤモンド中のNVセンターと、蒸気セル中のルビジウム原子は、非常に異なる物理原理に基づいています。両者に共通しているのは、カメラが磁場を直接測定しているわけではないという点です。
代わりに、磁場と量子力学的センサー系との相互作用が光学的に読み出されます。求める情報は、変調された光信号のわずかな変化の中に含まれています。
まさにこの点に、heliCam™の強みがあります。heliCam™は多数の画素において並列にLock-in検出を行うことで、高感度とイメージング測定を両立させます。
heliCam™が2026年に3件の博士論文において、新たな磁気測定手法開発のためのツールとして活用されたことを、私たちは特に嬉しく思っています。これらの研究は同時に、NVダイヤモンドから原子蒸気セルに至るまで、さまざまな量子センサーとLock-inイメージングをどのように組み合わせられるかを示しています。
Zechuan Yin、Jiashen Tang、Ronja Rasserの皆様の博士論文のご成功を、心よりお祝い申し上げます。
これらの研究をはじめ、heliCam™を用いた数多くの学術研究については、Lock-inカメラに関する論文集をご覧ください。
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