サイエンスゼロダイヤモンドセンサー見逃し動画配信や再放送いつ?ナノレベルの磁場測定!波多野睦子/東京工業大学

2019年2月25日

NHK「サイエンスZERO（2019年2月25日放送）」は「超ミクロな磁場が測れるダイヤモンドセンサー」と題し
ミリ単位より小さいナノレベルの磁場を測ることができるダイヤモンドセンサーが紹介されます。

ダイヤモンドの炭素の規則正しい結晶構造に不純物の窒素を組み込み窒素のとなりに穴をあけ磁場を発生させ磁石を作る事により
ダイヤモンドセンサーが作られる仕組みと開発の裏側が解説されます。

見どころは、ダイヤモンドの強力な炭素の共有結合、その炭素をわざわざ取り外して磁石を作る驚きの技。

そして、ダイヤモンドの中に生じる量子レベルの磁石の向きをそろえる意外なアイデアなどです。

日本でダイヤモンドセンサーの分野を引っ張るのは、東京工業大学の研究者、波多野睦子教授です。

今回のサイエンスZEROでは、ダイヤモンドセンサーの開発のヒミツや、
女性の科学者が、結婚や出産などのライフイベントと研究をどう両立させてきたか?
そしてその楽しさについても語られます。

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ダイヤモンドセンサーとは?

官幣な美しさで昔から人々を魅了してきたダイヤモンド。

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実はダイヤモンドを壊すと世の中を驚かせる高性能なセンサーが出来上がります。

測れるのは、磁気の向きや強さ、磁場です。

それはナノレベルまでの大きさを計測が可能です。

そのセンサーはダイヤモンドセンサーと呼ばれています。

ダイヤモンドセンサーでは火星由来の2ミリ未満の隕石をも計測に成功しています。

ダイヤモンドセンサーで隕石を計測した
アメリカマサチューセッツ州ハーバード大学・地球惑星科学科
ロジャー・フー准教授は、隕石の磁場をミリメートル以下で正確に検出できるようになった
とダイヤモンドセンサーに対し太鼓判を押しました。

東京工業大学・波多野睦子教授

このダイヤモンドセンサーを研究しているのは
東京工業大学・元気電子系、波多野睦子教授です。

波多野睦子教授によると
非常に小さな磁場を室温で測るのはこれまで難しかったが、
ダイヤモンドセンサーにより検出する事ができるようになったそうです。

スタジオに準備されたスキャナー上の測定器の先端にダイヤモンドセンサーが取り付けられており
イヤホン、電車の切符などで磁気を測定する実験を行いました。

その結果、使用済みの切符には穴が空いており、その穴の周辺に磁気情報が書き込まれている事が分かりました。

ダイヤモンドセンサーにより計測した物質の磁気の分布まで分かるのです!

どの様にしてダイヤモンドが磁気を測るセンサーになるのか?

ダイヤモンドが磁気を測るセンサーにする為に、ダイヤモンドの中に磁石を作る作業を行います。

ダイヤモンドの結晶構造は、通常、炭素が規則正しく並んでいます。

不純物を含んでいないダイヤモンドは、炭素が規則正しく並んでいる為、美しい透明です。

そこに不純物である窒素（N:nitrogen）が結合している場合が有ります。

元々あった炭素原子を取り除き窒素の隣に空洞を作ります。

その空洞（V:Vacancy）に磁石を作ります。

NとVの頭文字をとって、この窒素と空洞（穴）をNVセンターと呼んでいます。

そのNVセンターに作られた磁石の正体は電子です。
窒素がそこにある事により電子がNVセンターに捕獲されます。
その電気を帯びた粒が動く事により磁場が発生する仕組みです。

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右ねじの法則

電流と磁場の動きを表したもので
右手を「いいね!」のポーズにすると
握っている4本の指の方向（右回り・時計回り）に電流が流れると
親指の方向に磁場が発生します。

この原理が生かされているのです。

電子によって生まれる小さな磁石が「スピン」と呼ばれています。

量子レベルの小ささなので極小さなレベルの磁場を測る事が可能です。

センサーの先端部にスピンが有り、磁場を持つものが近付くと
スピンの回転スピードなどが変わります。

その変化から測りたいものの磁場の強さと向きが分かります。

目指すところは
もっとセンサーを高感度にして
脳の活動や細胞の活動などを見る事
と語っています。

それを実現するには
NVセンター、小さな磁石を沢山集める事により感度を高める事です。

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課題

課題は、窒素とNVセンターの向きがバラバラなので、
磁場の感じ方がそれぞれで変ってきてしまっています。
窒素とNVセンターの向きを揃える事です。

それはバラバラな状態だと、小さな微弱な磁場を測る時に
それぞれのNVセンターが感じる感度が変ってしまうので無駄になってしまいます。

その為、沢山NVセンター、小さな磁石を集めて、且つ向きを揃える事がひとつの重要なポイントになっています。

NVセンターの向きを揃える装置の開発に成功

ダイヤモンドはカットする方向により分子配列の形が変わります。

研究室では、カットする方向を試行錯誤の末、NVセンターの向きが揃う方向を発見しました。

そのNVセンターの向きが揃う方向を再現する手段として
東京工業大学電気電子系・岩崎孝之准教授が
ダイヤモンドを成長させる装置を開発しました。

この装置に人口ダイヤモンドの上に新たに炭素と窒素で結晶を作ります。

そして炭素と窒素の入ったガスを注入するとダイヤモンドの土台の上で結晶が成長します。

この装置により100%NVセンターの向きが揃う様になりました。

ダイヤモンドの感度が良くなってきた事により
細胞レベルの小さな磁場を測る事が出来ようになってきました。

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光センサーと比べての優位性は?

生き物は強い光を当て続けると弱ってしまいます。
磁場の場合、光障害をなくして
長時間に渡って観測できることも特徴です。

ダイヤモンドセンサーを生命科学の人や医学の人と連携して
分野を飛び越えて自分の垣根から出て融合していくと
新たなものが創出できて
社会的な課題も解決できるのではないかと思っています。

乳がんの治療

現在、電子工学以外の分野を飛び越える働きとして、医療や生物学などの分野の人達と交流を続けています

乳がんの治療の為に関野正樹准教授（東京大学大学院・光学系研究科）と共にダイヤモンドセンサーを活用しようとしています。

磁場を測定する事で癌の転移先を見極めるのにもちいられるのが
「磁気プローブ」です。

乳がんの場合、リンパ節への転移があるかを見極めるのが重要です。

その為には癌細胞が最初に辿り着くリンパ節がどれなのか？
を知ることが必要です。

転移があるとリンパ節を切除する必要が有ります。

転移が無ければがん細胞とその周りを切除します。

検査には鉄分が入った薬剤「磁性体」をがんの近くに注射
それがどのリンパ節に届くか？を
磁気プローブで探します。

現在の「磁気プローブ」の制度では体の表面から数センチ以内までしか計測出来ません。

もし、この「プローブ」にダイヤモンドセンサーを組み込む事が出来れば
乳がん以外にも体内の奥深い臓器にも応用が出来ると期待されています。

関野正樹准教授は、ダイヤモンド磁気センサーは
小型で高い感度を実現できるので
胃や肺などの別の臓器にも将来的に使えるのではないか
と考えています。

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