国立大学法人筑波大学 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 国立研究開発法人科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ダイヤモンド中に10兆分の1秒で瞬く磁化を観測
～超高速時間分解磁気センシング実現に期待～

【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

【研究の背景】
　磁石や電流が発する磁気の大きさと向きを検出するのが磁気センサーです。現在では、生体中における微弱な磁気から、電子デバイス中の３次元磁気イメージングに至るまで、磁気センサーの研究開発が進んでいます。磁気センサーには、比較的簡便なトンネル磁気抵抗素子^注１）によるものや、超伝導体のリングを貫く磁束の変化を電流で読み取る超伝導量子干渉素子（SQUID）^注２）などがあります。その中でも最高感度を誇るのがSQUIDで、1 nT（ナノテスラ）以下の磁場をも検出できるほどです。しかし、超伝導体を用いるSQUIDは電気回路や極低温などの高度な取扱いを要します。このため、近年では、ダイヤモンドの点欠陥である窒素−空孔（NV）センター^注３）を用いた磁気センサーの開発が進んでいます。特に、負に帯電したNVスピン状態を利用した全光読み出しシステムが、室温でも動作する量子磁力計として注目されています。また、NVセンターの利用と、走査型プローブ顕微鏡（SPM）^注４）技術を組み合わせることで、数十nmの空間分解能^注５）で量子センシング^注６）を行うことが可能になります。
　このように、従来の磁気センシング技術は感度や空間分解能に注目して開発されてきました。その一方で、時間分解能^注７）はマイクロ秒の範囲にとどまっています。このため、磁場をより高い時間分解能で測定できる新しい量子センシング技術の開発が望まれていました。
　そうした中、NVセンターを高濃度に含むダイヤモンド単結晶膜において、入射された連続発振レーザーの直線偏光が回転することが分かり、ダイヤモンドにおける磁気光学効果が実証されました。NVセンターに関連する集団的な電子スピンが磁化として機能することが示唆されていますが、この手法では時間分解能を高めることができません。他方、逆磁気光学効果、すなわち光パルスで磁気を作り出すという光磁気効果に対するダイヤモンドNVセンターの研究については、行われてきませんでした。しかし、この光磁気効果を開拓することは、ダイヤモンドの非線形フォトニクスの新しい機能性を追求する上で非常に重要です。また、ダイヤモンドNVセンターのスピンを用いた非接触かつ室温動作の量子センシング技術を、高い時間分解能という観点でさらに発展させるためにも、光磁気効果の開拓が必要だと考えられます。

【研究内容と成果】
　本研究チームは、フェムト秒（1000兆分の1秒）の時間だけ近赤外域の波長で瞬く超短パルスレーザー^注８）を円偏光にして、NVセンターを導入した高純度ダイヤモンド単結晶に照射し、結晶中に発生した超高速で生成・消滅する磁化を検出することに成功しました。
　実験ではまず、波長800nmの近赤外パルスレーザー光をλ/4波長板により円偏光に変換し、NVセンターを導入した高純度ダイヤモンド単結晶に励起光として照射しました。その結果、磁気光学効果の逆過程（光磁気効果）である逆ファラデー効果^注９）により、ダイヤモンド中に磁化を発生できることを見いだしました（参考図１挿入図）。この磁化が生じている極短時間の間に直線偏光のプローブ光を照射すると、磁化の大きさに比例してプローブ光の偏光ベクトルが回転します。これを磁気光学カー回転と呼びます。磁気光学カー回転の時間変化はポンプープローブ分光法で測定しました（図１）。測定の結果、逆ファラデー効果で生じるダイヤモンド中の磁化は、約100フェムト秒の応答として誘起されることが確かめられました（図２左）。NVセンターを導入していないダイヤモンドでも磁化は発生しますが、導入すると、発生する磁化が増幅されることも明らかになりました（図２右）。
　次に、励起レーザーの偏光状態を直線偏光から右回り円偏光、そして直線偏光に戻り、次に左回り円偏光と逐次変化させることで、波長板の角度とカー回転角(θ )の関係を調べました。すると、NVセンターを導入する前の高純度ダイヤモンド単結晶では、逆ファラデー効果を示すsin 2θ 成分および非線形屈折率変化である光カー効果を示す sin 4θ 成分のみが観測されました。一方、NVセンターを導入したダイヤモンドでは、それらの成分に加えて、新規にsin 6θ の成分を持つことが明らかになりました（図３a）。さらに、励起光強度を変化させながら各成分を解析したところ、sin 2θ 成分およびsin 4θ 成分は励起光強度に対して一乗で増加しますが（図３b,c）、新規のsin 6θ の成分の大きさは励起光強度に対して二乗で変化することが分かりました（図３d）。これらのことから、 sin 6θ の成分は、NVセンターが有するスピンが駆動力となり、ダイヤモンド結晶中に発生した非線形な磁化（逆コットン・ムートン効果^注10））であることが示唆されました。また、この付加的で非線形な磁化により、図２で観測された磁化の増幅が説明できました。この非線形な磁化による磁場検出感度を見積もると、約35 mT（ミリテスラ）となりました。SQUIDの検出感度には及びませんが、本手法では約100フェムト秒という高い時間分解能が得られることが示されたといえます。

【今後の展開】

　本研究チームは、今回観測に成功した光磁気効果を用いた量子センシング技術をさらに高感度化し、ダイヤモンドを用いたナノメートルかつ超高速時間領域（時空間極限領域）での量子センシングに深化させることを目指して研究を進めていきます。今後は、ダイヤモンドNVセンターが駆動力となった逆コットン・ムートン効果を磁気センシングに応用することで、先端材料の局所磁場やスピン流を高空間・高時間分解能で測定することが可能となります。さらに、パワーデバイス、トポロジカル材料・回路、ナノバイオ材料など実際のデバイスの動作条件下で、例えば磁壁のダイナミクスや磁化反転などデバイス中に生じるダイナミックな変化を、フェムト秒の時間分解能で観察できることになり、先端デバイスの高速化や高性能化への貢献が期待されます。

【参考図】

【用語解説】

注１）トンネル磁気抵抗素子
　２枚の磁性体の間に非常に薄い絶縁体を挟んだ構造（磁性体／絶縁体／磁性体）からなる素子。磁性体は金属であり、電圧を加えると、薄いポテンシャル障壁を通り抜けるという量子力学的なトンネル効果により絶縁体を介したトンネル電流が流れる。各磁性体の磁化の向きが平行な場合と反平行な場合で、素子の電気抵抗が大きく変化する。これをトンネル磁気抵抗効果という。よって、この効果を原理とした素子をトンネル磁気抵抗素子と呼ぶ。

注２）超伝導量子干渉素子（QUID）
　超伝導体のリングにジョセフソン接合（二つの超伝導体間にトンネル効果によって超伝導電流が流れるようにした接合のこと）を含む素子を、超伝導量子干渉素子（SQUID）と呼ぶ。リングを貫く磁束が変化すると、ジョセフソン接合を流れるトンネル電流が変化するため、高感度の磁気センサーとして用いられる。
注３）窒素−空孔（NV）センター
　ダイヤモンドは炭素原子から構成される結晶だが、結晶中に不純物として窒素（Nitrogen）が存在すると、そのすぐ隣に炭素原子の抜け穴（空孔：Vacancy)ができることがある。この窒素と空孔が対になった「NV（Nitrogen-Vacancy）センター」はダイヤモンドの着色にも寄与し、色中心と呼ばれる格子欠陥となる。NVセンターには、周辺環境の温度や磁場の変化を極めて敏感に検知して量子状態が変わる特性があり、この特性をセンサー機能として利用することができる。
注４）走査型プローブ顕微鏡（SPM）
　微小な探針(プローブ)で試料表面をなぞることにより、試料の凹凸を観察する顕微鏡の総称である。細胞やデバイスなどにおいて、分子や原子などナノメートルの構造を観察するのに用いられる。代表的なものに原子間力顕微鏡(AFM)などがある。
注５）空間分解能
　近い距離にある２つの物体を区別できる最小の距離である。この距離が小さいほど空間分解能が高く、微細な画像データの測定が可能になる。
注６）量子センシング
　量子化したエネルギー準位や量子もつれなどの量子効果を利用して、磁場、電場、温度などの物理量を超高感度で計測する手法のこと。
注７）時間分解能
　観測するデータに識別可能な変化を生じさせる最小の時間変化量である。最小時間変化量が小さいほど時間分解能が高く、高速で変化する画像などのデータ識別が可能となる。
注８）超短パルスレーザー
　パルスレーザーの中でも特にパルス幅（時間幅）がフェムト秒以下の極めて短いレーザーのことをいう。光電場の振幅が極めて大きいため、２次や３次の非線形光学効果を引き起こすことができる。
注９）逆ファラデー効果
　ファラデー効果は磁気光学効果の一種で、磁性体などに直線偏光が入射し透過する際に光の偏光面が回転する現象のことをいう。その際、入射光の伝播方向と物質内の磁化の向きは平行である。逆ファラデー効果はこれとは逆に、円偏光したレーザー光を物質に入射することで、入射した方向に平行に磁化が生じる現象のことをいう。磁性体に限らず、あらゆる物質で生じる非線形光学過程である。
注１０）逆コットン・ムートン効果
　コットン・ムートン効果は磁気光学効果の一種で、磁性体などに直線偏光が入射し透過する際に、光の偏光面が回転する現象のことをいう。その際、入射光の伝播方向と物質内の磁化の向きは垂直である。逆コットン・ムートン効果は、逆に、磁界が印可された物質に直線偏光のレーザー光を入射した際に、入射した方向に垂直に磁化が生じる現象であり、磁性体などで生じる高次の非線形光学過程である。

【研究資金】
　本研究は、国立研究開発法人 科学技術振興機構 CREST「ダイヤモンドを用いた時空間極限量子センシング（JPMJCR1875）」（研究代表者：長谷 宗明）、および独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費補助金「サブサイクル時間分解走査トンネル顕微鏡法の開発と応用」（研究代表者：重川 秀実）による支援を受けて実施されました。

【掲載論文】

令和4年6月16日

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

日時	令和8年5月28日（木） 16：00～17：00
場所	JAISTイノベーションプラザ 2F シェアードオープンイノベーションルーム
講演者	Xenolis Pte. Ltd. Chief Scientific Officer　平尾 一郎　博士 Chief Operating Officer, R&D Director　木本 路子　博士
講演題目	人工塩基対による遺伝子アルファベット拡張技術の創出とその応用
使用言語	日本語
参加申込	・参加費無料 ・要予約（定員３０名） 下記の担当へ前日までにメールにてお申し込みください。 【本件担当・予約申込先】 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 教授　栗澤 元一 （kurisawajaist.ac.jp）

　バイオ機能医工学研究領域の藤本健造教授らの「長鎖DNA２本鎖を配列選択的に光で操作する方法論開発に成功！」に係る論文が、ChemBioChem誌の表紙に採択されました。本研究は、文部科学省科研費 基盤研究(B)（24K01644）、文部科学省科研費 「学術変革領域研究(A)公募研究」（23H04411）の支援により実施されたものです。

■掲載誌
ChemBioChem, Volume 27, Issue 1
掲載日：2026年1月7日

■著者
Zumila Hailili, Yasuha Watanabe, Siddhant Sethi, Kenzo Fujimoto *

■論文タイトル
Photo-Induced Ultra-Fast Duplex Invasion Targeting Long-Range Double-Stranded DNA Using Artificial Nucleotide

■論文概要
　本研究では、光誘起二重鎖侵入（pDI）という新しい方法論を提案し、従来困難とされていた１本の核酸プローブのみでDNA２本鎖を配列選択的に操作することに成功しました。3-シアノビニルカルバゾールヌクレオシド（^CNV）で修飾された単一の侵入鎖が、紫外線照射下では、DNAらせんを急速に解き、長い二本鎖DNA中の標的配列に配列選択的に架橋するという新しいpDIのメカニズムを見いだしました。論文の中で、特定の遺伝子配列を認識するpDIの高効率性を示すだけでなく、高速操作性についても同時に実証していることから、光を用いた新たな高速遺伝子診断・遺伝子治療技術の創出が期待されます。

表紙詳細：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cbic.70191
論文詳細：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cbic.202500626

令和8年1月29日

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

日時	令和8年1月23日（金） 15：00～17：00
場所	JAISTイノベーションプラザ 2F シェアードオープンイノベーションルーム
講演題目 /講演者	15：00－16：00 「濃厚ポリマーブラシ付与ナノ繊維と細胞の自己組織化過程の理解と操作」 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS) 高分子・バイオ材料研究センター 高分子材料分野 表面制御高分子チーム チームリーダー　吉川 千晶 氏 16：00－17：00 「タンパク質・ペプチドアンカーリング科学、生体非応答高分子科学の学術・ 産業基盤の創出を目指して」 富山大学 学術研究部工学系、大学院医薬理工学環、大学院理工学研究科 准教授　中路 正 氏
使用言語	日本語
参加申込	・参加費無料 ・要予約（定員３０名） 下記の担当へ前日までにメールにてお申し込みください。 【本件担当・予約申込先】 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 拠点長　松村 和明 （mkazuakijaist.ac.jp）

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

日時	令和7年12月19日（金） 15：00～16：10
場所	JAISTイノベーションプラザ 2F シェアードオープンイノベーションルーム
講演者	宮崎大学工学教育研究部化学生命プログラム担当 大島 達也 教授
講演題目	大学教育研究×AI・データサイエンス×情報発信：溶かす技術開発を通じて
使用言語	日本語
参加申込	・参加費無料 ・要予約（定員３０名） 下記の担当へ前日までにメールにてお申し込みください。 【本件担当・予約申込先】 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 教授　都 英次郎 （e-miyakojaist.ac.jp）

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

日時	令和7年10月24日（金） 13：30～16：55
場所	JAISTイノベーションプラザ 2F シェアードオープンイノベーションルーム
概要	本セミナーでは、凍結保存の新展開を切り拓く先端センシング技術を紹介します。高分子凍結保護剤の開発から、高磁場DNP-MAS-NMRやダイヤモンド量子センサー、スーパーコンピュータを活用した計算科学、さらにX線・中性子散乱による微細構造解析、液化窒素式機器の開発まで、量子・高磁場・放射光・計算科学の最前線研究を結集し、凍結保存の未来を展望します。
プログラム	13:30　開始　開会あいさつ 13:35 「高分子凍結保護剤の開発と凍結状態センシングへの挑戦」 　　　　松村 和明 教授 (北陸先端科学技術大学院大学) 14:05 「高磁場DNP-MAS-NMR法の装置と方法論の開発」 　　　　松木 陽 准教授 (大阪大学) 14:35 「ダイヤモンド量子センサーのバイオ応用概観」 　　　　安 東秀 准教授 (北陸先端科学技術大学院大学)　 15:05-15:20　コーヒーブレーク 15:20 「JAISTスパコンを活用したデータ駆動型材料研究」 　　　　本郷 研太 准教授 (北陸先端科学技術大学院大学) 15:50 「X線/中性子散乱による凍結保存における細胞微細構造センシング」 　　　　中田 克 氏 (株式会社東レリサーチセンター) 16:20 「液化窒素式凍結保存機器の開発」 　　　　吉村 滋弘 氏 (太陽日酸株式会社) 16:50　終了　閉会あいさつ
使用言語	日本語
参加申込	・参加費無料 ・要予約（定員３０名） 下記の担当へ前日までにメールにてお申し込みください。 【本件担当・予約申込先】 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 拠点長　松村 和明 （mkazuakijaist.ac.jp）

　6月3日（火）、本学イノベーションプラザ2階 シェアードオープンイノベーションルームにおいて、「令和7年度第1回超越バイオメディカルDX研究拠点エクセレントコアセミナー」を開催しました。
　本セミナーでは、本学に新たにクロスアポイメント教員として着任したHak Soo CHOI 教授（ハーバード大学医学部 放射線腫瘍学講座 教授）を講師に迎え、「Bioengineering and Nanomedicine Program for Cancer Theranostics」をテーマに講演いただきました。
　冒頭では、寺野稔 学長による開会挨拶が行われ、CHOI教授の着任に対する歓迎の意が述べられるとともに、今後の国際共同研究のさらなる発展に向けた期待が示されました。
　CHOI教授の講演では、がんの診断と治療を同時に行う「セラノスティックス」の実現に向けた最先端の研究成果が紹介されました。とりわけ、独自に開発された蛍光イメージング技術と、薬剤の物理化学的特性と生体内動態の関係性に基づいた薬物設計戦略により、組織特異的な近赤外蛍光プローブの開発が進められていることが説明されました。これらの技術は、がん組織の可視化、画像誘導手術、光線治療などへの応用が期待されており、ナノ医療および分子イメージング分野における今後の展開に重要な示唆を与える内容となりました。
　本セミナーは、CHOI教授と本学物質化学フロンティア研究領域の栗澤元一 教授との長年にわたる共同研究を背景に開催されたものであり、国際的な研究連携の深化とともに、若手研究者や学生との学術的交流の促進を目的としています。当日は、参加者との活発な質疑応答や意見交換も行われ、充実した議論の場となりました。
　今後も本学では、超越バイオメディカルDX研究拠点の中核的活動として、世界トップレベルの研究者との交流を通じた学際的かつ国際的な研究の推進と、次世代研究者の育成に積極的に取り組んでまいります。

セミナーの様子

令和7年6月5日

ナノ医療・バイオイメージング分野における国際連携を加速
―ハーバード大教授が北陸先端科学技術大学院大学に本格参画－

　北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）は、2025年4月1日付で、ナノ医療・バイオイメージング分野における世界的な研究者であるChoi, Hak Soo（チェ・ハクスー）教授を、先端科学技術研究科のクロスアポイントメント教員として迎え、本学での研究活動を開始しました。

　Choi教授は、ハーバード大学医学部 放射線腫瘍学講座の教授であり、マサチューセッツ総合病院 分子イメージング研究センターの主任研究者として最前線の研究を統括するとともに、Dana-Farber/Harvard Cancer Centerにも所属し、がん研究と診断に関する世界的ネットワークの中核的存在として活躍しています。

　韓国・全北大学校を卒業後、2004年に本学にて博士号（材料科学）を取得。その後、ハーバード大学にて研究を推進し、ナノメディシン、イメージング、バイオエンジニアリングを融合したがんの高感度診断・治療技術の開発に取り組んできました。これまでに、Nature Biotechnology、Nature Nanotechnology、Nature Medicine、Nature Communications、Advanced Materials、Science Translational Medicine などの国際トップジャーナルに多数の研究成果が掲載されており、米国国立衛生研究所（NIH）や国防総省（DoD）などからの大型研究助成を獲得しています。

　今回の着任は、本学物質化学フロンティア研究領域の栗澤元一教授との長年にわたる共同研究を背景に実現したものであり、今後は、本学の「超越バイオメディカルDX研究拠点」との連携を軸に、研究成果の社会実装、若手研究者や学生との国際交流を通じて、グローバルトップの研究基盤の構築・強化に大きく貢献することが期待されています。

【セミナーのご案内】

　このたび、Choi教授の本学参画を記念し、以下のとおり「超越バイオメディカルDX研究拠点エクセレントコアセミナー」を開催します。当日は、Choi教授より、これまでの研究成果および今後の取組みについて講演いただきます。つきましては、当日の取材・報道をお願いします。

講 演 者：CHOI, Hak Soo, Ph.D 北陸先端科学技術大学院大学　先端科学技術研究科　教授 Professor, Department of Radiology, Harvard Medical School Faculty, Cancer Research Institute, Dana-Farber/Harvard Cancer Center Director, Bioengineering and Nanomedicine Program, Mass General Hospital テーマ：「Bioengineering and Nanomedicine Program for Cancer Theranostics」 （バイオ工学とナノメディシンによるがんセラノスティックス*） 日　　時：令和7年6月3日（火）10：30～12：00 場　　所：北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）　イノベーションプラザ2F シェアードオープンイノベーションルーム 申込方法：以下申込先までメールにて事前にお申込みください。 [申込先] 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 教授　栗澤元一　E-mail：kurisawajaist.ac.jp

　*セラノスティックス...診断と治療を一体化した新しい医療技術

◆クロスアポイントメント制度とは】

　研究者等が複数の大学や公的研究機関、民間企業等と雇用契約を結び、それぞれの組織で業務を行うことを可能とする制度です。本制度により、研究者等は所属の枠にとらわれることなく、複数の場で専門性を活かして活躍できるようになります。本制度の導入により、研究機関間の垣根を超えた知の交流や技術の橋渡しが加速されることが期待されており、研究の質やスピードの向上にも大きく貢献すると考えられます。
　今回、本学が本制度を通じて、海外の研究機関に所属する研究者を迎えたことは、本学にとって初の取り組みです。今後は、この制度を活用して、国内外の優れた研究者とのネットワークを一層広げ、世界の先端科学技術研究のハブとしての機能強化を目指します。

令和7年5月29日

　セミナーを下記のとおり開催しますので、ご案内します。

開催日時	令和7年6月3日（火） 10：30～12：00
場所	北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）イノベーションプラザ シェアードオープンイノベーションルーム（2F）
講師	Hak Soo Choi, Ph.D. Professor with a cross appointment at the Department of Radiology, Harvard Medical School, and the Graduate School of Advanced Science and Technology, Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)
講演題目	Bioengineering and Nanomedicine Program for Cancer Theranostics
使用言語	英語
参加申込・ お問合せ	下記の担当へ前日までにお申し込みください。 （定員30名・参加費無料） 北陸先端科学技術大学院大学　超越バイオメディカルDX研究拠点 教授　栗澤 元一 （kurisawajaist.ac.jp）

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

　下記のとおりセミナーを開催しますので、ご案内します。

日　時	令和6年8月28日（水）15：00～16：00
場　所	知識科学講義棟 ２階 中講義室
講演題目	バイオ界面に立脚した高分子バイオマテリアルの創成
講演者	東京工業大学 生命理工学院 助教　西田 慶 氏
使用言語	日本語
お問合せ先	北陸先端科学技術大学院大学　物質化学フロンティア研究領域 准教授　都 英次郎（E-mail：e-miyakojaist.ac.jp）

● 参加申込・予約は不要です。直接会場にお越しください。

　セミナーを下記のとおり開催しますので、ご案内します。