ダイヤモンドや炭化ケイ素、二次元物質などを利用した固体量子センサの研究が進み、さまざまなセンシング技術の原理実証が報告されている。固体量子センサは、小型化や集積化が期待されており、ナノテクノロジーとの融合による実用的なセンサデバイスの開発が進められている。本講演では、固体量子センサの基本原理を紹介するとともに、ナノテクノロジーを活用した高性能化や集積化、社会実装に向けた展望について紹介する。

量子センシングは、電子スピンなどの量子状態を利用することで、磁場や温度などを高感度に計測する技術として注目されている。我々は、化学的に設計可能な有機分子からなる量子ビットに着目し、そのナノ材料化による新しい量子センシング技術の開拓を進めている。最近、光励起三重項状態において優れた量子ビットとして振る舞う色素分子をナノ結晶中に組み込んだ分子性量子ナノセンサ（Molecular Quantum Nanosensor; MoQN）を開発し、これを生細胞内へ導入することで、細胞内環境における量子センシングを実現した。特に分子性材料の高い構造均一性を活かし、従来の量子センシングでは困難であった生細胞中における絶対温度の計測が可能となった。本講演では、MoQNの分子・材料設計から細胞内量子センシングに至るまでを紹介するとともに、分子化学とナノテクノロジーの融合によって、量子センサを生命科学・医療へ展開する可能性について議論する。

ダイヤモンドNVセンタによる固体量子センサは、電子スピンの状態を光学的に読み取る、或いは制御する新しいタイプのデバイスであり、従来難しかった物理状態のセンシングへの応用が期待される。固体量子センサの応用には、一つはダイヤモンドNVセンタ（ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥）にスピン操作するための励起光およびマイクロ波を適切に印加する必要がある。今回、イメージセンシングへの応用を想定し、設計・試作した固体量子センサヘッドの動作検証結果を一例として紹介する。磁性粒子にみたてたNiパターンについて、最小1ミクロンの磁場イメージセンシングに成功している。将来的には、デバイスとしての小型、汎用化と、微細な電子回路、電子部品の故障検査、微小・微量生体物質の検査などのシステムへの実装を目指す。