2026/04/03 更新

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アライ ケイゴ
荒井 慧悟
ARAI KEIGO
所属
工学院 准教授
職名
准教授
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News & Topics

研究キーワード

  • 量子情報

  • 量子計測

  • 量子制御

  • 量子センシング

  • 量子認知

研究分野

  • 自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理

  • ナノテク・材料 / 応用物性

  • ナノテク・材料 / 応用物理一般

  • 自然科学一般 / 数理物理、物性基礎

  • 自然科学一般 / 磁性、超伝導、強相関系

学歴

  • Massachusetts Institute of Technology   Physics

    2008年9月 - 2016年1月

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  • 東京大学   理学部   物理学科

    2004年4月 - 2008年3月

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    国名: 日本国

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経歴

  • 経済産業省   商務情報政策局   臨時専門アドバイザー

    2024年7月 - 2025年6月

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    国名:日本国

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  • 国立研究開発法人科学技術振興機構   科学技術政策フェロー

    2024年6月 - 2025年6月

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    国名:日本国

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  • 東京科学大学   工学院   准教授

    2022年10月 - 現在

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    国名:日本国

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  • 東京工業大学   工学院   准教授

    2022年4月 - 2024年9月

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    国名:日本国

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  • 東京工業大学   工学院   助教

    2020年2月 - 2022年3月

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    国名:日本国

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  • 株式会社ボストン・コンサルティング・グループ

    2017年1月 - 2020年1月

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    国名:日本国

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  • ハーバード・スミソニアン天体物理学センター   ポストドクトラルフェロー

    2016年4月 - 2016年12月

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    国名:アメリカ合衆国

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所属学協会

  • 応用物理学会

    2016年1月 - 現在

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論文

  • Geometric phase magnetometry using a solid-state spin 査読

    Keigo Arai, Junghyun Lee, Chinmay Belthangady, David R. Glenn, Huiliang Zhang, Ronald L. Walsworth

    Nature Communications   9   4996   2018年3月

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    担当区分:筆頭著者  

    Magnetometry is a powerful technique for the non-invasive study of biological
    and physical systems. A key challenge lies in the simultaneous optimization of
    magnetic field sensitivity and maximum field range. In interferometry-based
    magnetometry, a quantum two-level system acquires a dynamic phase in response
    to an applied magnetic field. However, due to the 2{\pi} periodicity of the
    phase, increasing the coherent interrogation time to improve sensitivity
    results in reduced field range. Here we introduce a route towards both large
    magnetic field range and high sensitivity via measurements of the geometric
    phase acquired by a quantum two-level system. We experimentally demonstrate
    geometric-phase magnetometry using the optically addressable electronic spin
    associated with the nitrogen vacancy (NV) color center in diamond. Our approach
    enables unwrapping of the 2{\pi} phase ambiguity, decoupling of magnetic field
    range from sensitivity, and enhancement of the field range by about 400 times.
    We also find additional improvement in sensitivity in the nonadiabatic regime,
    and study how geometric-phase decoherence depends on adiabaticity. Our results
    show that the geometric phase can be a versatile tool for quantum sensing
    applications.

    DOI: 10.1038/s41467-018-07489-z

    arXiv

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  • Fourier magnetic imaging with nanoscale resolution and compressed sensing speed-up using electronic spins in diamond 査読

    K. Arai, C. Belthangady, H. Zhang, N. Bar-Gill, S. J. DeVience, P. Cappellaro, A. Yacoby, R. L. Walsworth

    NATURE NANOTECHNOLOGY   10 ( 10 )   859 - 864   2015年10月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1038/NNANO.2015.171

    Web of Science

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  • Optical magnetic imaging of living cells 査読

    D. Le Sage, K. Arai, D. R. Glenn, S. J. DeVience, L. M. Pham, L. Rahn-Lee, M. D. Lukin, A. Yacoby, A. Komeili, R. L. Walsworth

    NATURE   496 ( 7446 )   486 - U105   2013年4月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1038/nature12072

    Web of Science

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  • Optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in microdiamonds inside nanopolycrystalline diamond anvil cell

    Masahiro Ohkuma, Keigo Arai, Kenji Ohta, Toru Shinmei, Ryo Matsumoto, Yoshihiko Takano, Tetsuo Irifune

    Japanese Journal of Applied Physics   65 ( 6 )   060901 - 060901   2026年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IOP Publishing  

    Abstract

    We demonstrated optically detected magnetic resonance (ODMR) of nitrogen-vacancy (NV) centers in microdiamonds inside a diamond anvil cell pressurized with nanopolycrystalline diamond (NPD) anvils. NPD exhibits high optical transparency, superior hardness, and low thermal conductivity, making it suitable for optical and spectroscopic measurements under high-pressure and high-temperature conditions. We observed the ODMR signal from an ensemble of NV centers under conditions where NV centers in microdiamonds served as markers for pressures exceeding 30 GPa, with a culet diameter of 600 μ m. We also performed ODMR measurements on multiple microdiamonds sealed inside a sample chamber and found that the resonance frequency varied with the pressure distribution. The combination of NPD and microdiamonds containing NV centers is auspicious for pressure and magnetic sensing under concurrent high-pressure and high-temperature conditions.

    DOI: 10.35848/1347-4065/ae4f44

    arXiv

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    その他リンク: https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/ae4f44/pdf

  • Coherent control of solid-state defect spins via patterned boron-doped diamond circuit

    Masahiro Ohkuma, Eikichi Kimura, Eunsang Lee, Ryo Matsumoto, Shumpei Ohyama, Saki Tsuchiya, Harim Lim, Yong Soo Lee, Yoshihiko Takano, Junghyun Lee, Keigo Arai

    2024年12月

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    Monolithic integration, which refers to the incorporation of all device
    functionalities within a single material, shows significant potential for
    creating scalable solid-state quantum devices. This study demonstrated the
    coherent control of nitrogen-vacancy (NV) spins using an electronic circuit
    monolithically integrated within diamond: a patterned, conductive boron-doped
    diamond (BDD) microwave waveguide. First, we validated the high-frequency
    performance of the circuit by characterizing its impedance up to the microwave
    range, confirming its capability for efficient microwave transmission. Then,
    using this monolithically integrated BDD--NV hybrid system, we performed
    optically detected magnetic resonance and observed noticeable Rabi oscillations
    driven by the metallic BDD circuit. Importantly, we verified that the BDD
    antenna has a minimal detrimental impact on the NV spins; microwave-induced
    heating is negligible under both pulsed and continuous driving, and the spin
    relaxation time ($T_1$) remains unperturbed. This approach paves the way for a
    new class of compact, robust, and versatile quantum platforms suitable for
    sensing and information processing in various environments.

    arXiv

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    その他リンク: http://arxiv.org/pdf/2412.15586v2

  • Fast coherent control of nitrogen-14 spins associated with nitrogen-vacancy centers in diamonds using dynamical decoupling

    Kosuke Mizuno, Ikuya Fujisaki, Hiroyoshi Tomioka, Hitoshi Ishiwata, Shinobu Onoda, Takayuki Iwasaki, Keigo Arai, Mutsuko Hatano

    Journal of Physics Communications   8 ( 3 )   035002 - 035002   2024年3月

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    出版者・発行元:IOP Publishing  

    Abstract

    A nitrogen-vacancy (NV) center in a diamond enables the access to an electron spin, which is expected to present highly sensitive quantum sensors. Although exploiting a nitrogen nuclear spin improves the sensitivity, manipulating it using a resonant pulse requires a long gate time owing to its small gyromagnetic ratio. Another technique to control nuclear spins is a conditional rotation gate based on dynamical decoupling, which is faster but unavailable for nitrogen spins owing to the lack of transverse hyperfine coupling with the electron spin. In this study, we generated effective transverse coupling by applying a weak off-axis magnetic field. An effective coupling depends on the off-axis field; the conditional rotation gate on the nitrogen-14 spins of an NV center was demonstrated within 4.2 μs under an 1.8% off-axis field and a longitudinal field of approximately 280 mT. We estimated that a population transfer from the electron to nitrogen spins can be implemented with 8.7 μs. Our method is applicable to an ensemble of NV centers, in addition to a single NV center.

    DOI: 10.1088/2399-6528/ad2b8b

    arXiv

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    その他リンク: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-6528/ad2b8b/pdf

  • Controllable tunability of a Chern number within the electronic-nuclear spin system in diamond 査読

    Junghyun Lee, Keigo Arai, Huiliang Zhang, Mark J. H. Ku, Ronald L. Walsworth

    npj Quantum Information   9 ( 1 )   2023年7月

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    担当区分:筆頭著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Chern numbers characterize topological phases in a wide array of physical systems. However, the resilience of system topology to external perturbations makes it challenging experimentally to investigate transitions between different phases. In this study, we demonstrate the transitions of a Chern number from 0 to 3, synthesized in an electronic-nuclear spin system associated with the nitrogen-vacancy (NV) centre in diamond. The Chern number is characterized by the number of degeneracies enclosed in a control Hamiltonian parameter sphere. Topological transitions between different phases are realized by varying the radius and offset of the sphere such that the Chern number changes. We show that the measured topological phase diagram is consistent with numerical calculations and can also be mapped onto an interacting three-qubit system. The NV system may also allow access to even higher Chern numbers, which could be applied to exploring exotic topology or topological quantum information.

    DOI: 10.1038/s41534-023-00732-6

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41534-023-00732-6

  • Pressure Sensor Using a Hybrid Structure of a Magnetostrictive Layer and Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond 査読

    Ryota Kitagawa, Shunsuke Nagata, Keigo Arai, Kosuke Mizuno, Takeyuki Tsuji, Ikuya Fujisaki, Soki Urashita, Teruo Kohashi, Yota Takamura, Takayuki Iwasaki, Shigeki Nakagawa, Mutsuko Hatano

    Physical Review Applied   19 ( 4 )   044089/1 - 10   2023年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society (APS)  

    DOI: 10.1103/physrevapplied.19.044089

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    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevApplied.19.044089/fulltext

  • High-precision robust monitoring of charge/discharge current over a wide dynamic range for electric vehicle batteries using diamond quantum sensors

    Yuji Hatano, Jaewon Shin, Junya Tanigawa, Yuta Shigenobu, Akimichi Nakazono, Takeharu Sekiguchi, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Keigo Arai, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano

    Scientific Reports   12 ( 1 )   2022年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Accurate prediction of the remaining driving range of electric vehicles is difficult because the state-of-the-art sensors for measuring battery current are not accurate enough to estimate the state of charge. This is because the battery current of EVs can reach a maximum of several hundred amperes while the average current is only approximately 10 A, and ordinary sensors do not have an accuracy of several tens of milliamperes while maintaining a dynamic range of several hundred amperes. Therefore, the state of charge has to be estimated with an ambiguity of approximately 10%, which makes the battery usage inefficient. This study resolves this limitation by developing a diamond quantum sensor with an inherently wide dynamic range and high sensitivity for measuring the battery current. The design uses the differential detection of two sensors to eliminate in-vehicle common-mode environmental noise, and a mixed analog–digital control to trace the magnetic resonance microwave frequencies of the quantum sensor without deviation over a wide dynamic range. The prototype battery monitor was fabricated and tested. The battery module current was measured up to 130 A covering WLTC driving pattern, and the accuracy of the current sensor to estimate battery state of charge was analyzed to be 10 mA, which will lead to 0.2% CO2 reduction emitted in the 2030 WW transportation field. Moreover, an operating temperature range of − 40 to + 85 °C and a maximum current dynamic range of ± 1000 A were confirmed.

    DOI: 10.1038/s41598-022-18106-x

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41598-022-18106-x

  • Millimetre-scale magnetocardiography of living rats with thoracotomy

    Keigo Arai, Akihiro Kuwahata, Daisuke Nishitani, Ikuya Fujisaki, Ryoma Matsuki, Yuki Nishio, Zonghao Xin, Xinyu Cao, Yuji Hatano, Shinobu Onoda, Chikara Shinei, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Masatoshi Yamazaki, Tokuyuki Teraji, Takeshi Ohshima, Mutsuko Hatano, Masaki Sekino, Takayuki Iwasaki

    Communications Physics   5 ( 1 )   2022年8月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Magnetocardiography is a contactless imaging modality for electric current propagation in the cardiovascular system. Although conventional sensors provide sufficiently high sensitivity, their spatial resolution is limited to a centimetre-scale, which is inadequate for revealing the intra-cardiac electrodynamics such as rotational waves associated with ventricular arrhythmias. Here, we demonstrate invasive magnetocardiography of living rats at a millimetre-scale using a quantum sensor based on nitrogen-vacancy centres in diamond. The acquired magnetic images indicate that the cardiac signal source is well explained by vertically distributed current dipoles, pointing from the right atrium base via the Purkinje fibre bundle to the left ventricular apex. We also find that this observation is consistent with and complementary to an alternative picture of electric current density distribution calculated with a stream function method. Our technique will enable the study of the origin and progression of various cardiac arrhythmias, including flutter, fibrillation, and tachycardia.

    DOI: 10.1038/s42005-022-00978-0

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s42005-022-00978-0

  • Simultaneous thermometry and magnetometry using a fiber-coupled quantum diamond sensor

    Yuji Hatano, Jaewon Shin, Daisuke Nishitani, Haruki Iwatsuka, Yuta Masuyama, Hiroki Sugiyama, Makoto Ishii, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Keigo Arai, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano

    Applied Physics Letters   118 ( 3 )   034001 - 034001   2021年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AIP Publishing  

    DOI: 10.1063/5.0031502

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  • Selective addressing of solid-state spins at the nanoscale via magnetic resonance frequency encoding 査読

    H. Zhang, K. Arai, C. Belthangady, J. -C. Jaskula, R. L. Walsworth

    NPJ QUANTUM INFORMATION   3   2017年8月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    The nitrogen vacancy centre in diamond is a leading platform for nanoscale sensing and imaging, as well as quantum information processing in the solid state. To date, individual control of two nitrogen vacancy electronic spins at the nanoscale has been demonstrated. However, a key challenge is to scale up such control to arrays of nitrogen vacancy spins. Here, we apply nanoscale magnetic resonance frequency encoding to realize site-selective addressing and coherent control of a four-site array of nitrogen vacancy spins. Sites in the array are separated by 100 nm, with each site containing multiple nitrogen vacancies separated by similar to 15 nm. Microcoils fabricated on the diamond chip provide electrically tuneable magnetic field gradients similar to 0.1 G/nm. Tailored application of gradient fields and resonant microwaves allow site-selective nitrogen vacancy spin manipulation and sensing applications, including Rabi oscillations, imaging, and nuclear magnetic resonance spectroscopy with nanoscale resolution. Microcoil-based magnetic resonance of solid-state spins provides a practical platform for quantum-assisted sensing, quantum information processing, and the study of nanoscale spin networks.

    DOI: 10.1038/s41534-017-0033-3

    arXiv

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  • Precision magnetometry and imaging via quantum manipulation of spins in diamond 査読

    Keigo Arai

    Ph.D. dissertation   2016年1月

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    担当区分:筆頭著者  

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  • Optical Magnetic Imaging with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond 査読

    Keigo Arai, Chinmay Belthangady, Huiliang Zhang, Stephen J. DeVience, David Le Sage, David R. Glenn, Linh M. Pham, Lilah Rahn-Lee, Mikhail D. Lukin, Amir Yacoby, Arash Komeili, Ronald L. Walsworth

    Biophysical Journal   106 ( 2 )   191a - 191a   2014年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.bpj.2013.11.1133

    Web of Science

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  • Dressed-State Resonant Coupling between Bright and Dark Spins in Diamond 査読

    C. Belthangady, N. Bar-Gill, L. M. Pham, K. Arai, D. Le Sage, P. Cappellaro, R. L. Walsworth

    Physical Review Letters   110 ( 15 )   2013年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society (APS)  

    DOI: 10.1103/physrevlett.110.157601

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    その他リンク: http://link.aps.org/article/10.1103/PhysRevLett.110.157601

  • Wide-Field Magnetic Imaging using Nitrogen-Vacancy Color Centers in Diamond 査読

    Keigo Arai, David Le Sage, Stephen J. DeVience, David R. Glenn, Linh M. Pham, Lilah Rahn-Lee, Mikhail D. Lukin, Amir Yacoby, Arash Komeili, Ronald L. Walsworth

    BIOPHYSICAL JOURNAL   104 ( 2 )   193A - 193A   2013年1月

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MISC

  • ダイヤモンドNVセンタを用いた心磁図

    桑波田晃弘, 桑波田晃弘, 荒井慧悟, 西谷大祐, 藤崎伊久哉, 松木亮磨, 西尾有輝, 辛宗浩, 曹馨雨, 波多野雄治, 小野田忍, 眞榮力, 宮川仁, 谷口尚, 山崎正俊, 山崎正俊, 寺地徳之, 大島武, 波多野睦子, 関野正樹, 岩崎孝之

    日本生体医工学会大会プログラム・抄録集(Web)   61st ( Abstract )   101_1 - 101_1   2022年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 日本生体医工学会  

    癌や脳血管障害とならんで、世界の主要な死因の1つは心臓病である。心房細動、心室頻脈などの心不全は、神経細胞の異常興奮によって局所的に発生する電流伝播の不完全性によって生じると考えられている。心臓内で発生する生体電流伝播の非侵襲イメージングの手法は、超高感度磁気センサを用いた心磁図(心臓磁場の計測)である。生体活動に伴う生体電流から生じる磁場を計測するため、生体活動そのものを観測することが可能である。しかしながら、心臓と磁気センサのスタンドオフ距離が大きくなると、空間分解能が大幅に低下する。既存のSQUID(超電導量子干渉計)やOPM(光ポンピング磁力計)などの高感度磁気センサは、生体適合しない動作温度のため、心臓に対して数mmから1cmの離隔距離が必要であり、cmスケール程度の空間分解能である。本研究では、室温で動作可能なダイヤモンド窒素空孔中心(NVセンタ)に基づく固体量子センシングを駆使した磁場計測システムを開発し、生きているラットのmmスケールの空間分解能での心磁図を実現した。心臓表面1mmまで近接することで、高い空間分解能で心臓内の電流分布・磁場分布をイメージングすることに成功した。本研究は、心房細動、心室頻脈など、心不全の発生と進行のメカニズムを解明など、基礎医学への大きな貢献が期待できる。

    DOI: 10.11239/jsmbe.annual60.101_1

    CiNii Research

    J-GLOBAL

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  • ダイヤモンド量子センサによる心磁計測

    荒井慧悟, 荒井慧悟, 桑波田晃弘, 桑波田晃弘, 西谷大祐, 藤崎伊久哉, 松木亮磨, 西尾有輝, XIN Zonghao, CAO Xinyu, 波多野雄治, 小野田忍, 真栄力, 宮川仁, 谷口尚, 山崎正俊, 山崎正俊, 寺地徳之, 大島武, 波多野睦子, 波多野睦子, 関野正樹, 岩崎孝之

    応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   82nd   2021年

  • 若者を引き付ける街:ボストン

    荒井 慧悟

    応用物理   86 ( 5 )   415 - 417   2017年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 応用物理学会  

    DOI: 10.11470/oubutsu.86.5_415

    CiNii Books

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  • NV中心磁気顕微鏡 (特集 顕微鏡で物を見ることの新しい動き)

    荒井 慧悟

    生体の科学   64 ( 6 )   608 - 613   2013年11月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:金原一郎記念医学医療振興財団 ; 1949-  

    CiNii Books

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講演・口頭発表等

  • ダイヤモンド量子センシングの 基礎から社会実装の可能性まで 招待

    荒井慧悟

    第6回量子ソフトウェアワークショップ  2025年6月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • ダイヤモンド量子センシングの基礎から社会実装の可能性まで 招待

    荒井慧悟

    第3回 NIMS量子科学技術研究会  2025年6月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • マルチモダル対応高信頼性ダイヤモンド量子センサデバイス 招待

    荒井慧悟

    JST新技術説明会  2025年6月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • 量子センシングが人類の知覚の地平線を広げる 招待

    荒井慧悟

    慶應義塾大学 物理情報工学特別講義  2025年5月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • ダイヤモンド量子センシングが人類の知覚の地平線を広げる 招待

    荒井慧悟

    SEMI量子コンピュータ協議会  2025年1月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • ダイヤモンド量子センシングが人類の知覚の地平線を広げる 招待

    荒井慧悟

    第28回KECテクノフォーラム 量子センシング技術の展望と社会的インパクト  2025年1月 

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    記述言語:日本語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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  • 固体量子センシングによる生体電流イメージングの可能性 招待

    荒井慧悟

    第3回EISESiV/iSyMs合同シンポジウム  2024年11月 

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    記述言語:日本語   会議種別:シンポジウム・ワークショップ パネル(指名)  

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  • ダイヤモンド中のスピンによる生体磁場イメージング 招待

    荒井慧悟

    2024年9月 

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    記述言語:英語   会議種別:公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等  

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産業財産権

  • ダイヤモンド量子センサー、ダイヤモンドアンビルセル型量子センサーおよび測定装置

    松本 凌, 高野 義彦, 荒井 慧悟, 大山 隼平

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    出願人:国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国立大学法人東京科学大学

    出願番号:特願2024-168634  出願日:2024年9月

    公開番号:特開2025-100334  公開日:2025年7月

    J-GLOBAL

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受賞

  • 科学技術分野の文部科学大臣表彰「若手科学者賞」

    2023年4月   文部科学省   ダイヤモンド量子センサの高性能化と次世代応用の研究

    荒井慧悟

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 固体スピン系の幾何学的制御とトポロジカル量子シミュレーションへの展開

    研究課題/領域番号:24K21730  2024年6月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    荒井 慧悟

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    配分額:6370000円 ( 直接経費:4900000円 、 間接経費:1470000円 )

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  • ダイヤモンド量子センサによる高圧超伝導体のナノスケール物性計測

    研究課題/領域番号:23K26528  2024年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    荒井 慧悟, 松本 凌, 東 真太郎

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    配分額:5330000円 ( 直接経費:4100000円 、 間接経費:1230000円 )

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  • 固体量子センサによる海中磁場計測ネットワーク技術の開発

    2024年 - 2029年

    科学技術振興機構  戦略的な研究開発の推進 経済安全保障重要技術育成プログラム 

    大島 武

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    本研究開発では、将来的に音響センサとの連携による人工物の確実な検知を目指し、磁場の絶対値を計測可能、かつ温度変動による計測誤差を自己補償可能なダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)量子センサを開発します。また、センサを複数配置した海中センサネットワークを構築し、得られたデータから人工物の位置を特定する解析ソフトウェアの開発を行います。
    さらに、ダイヤモンドNVのマルチモダル性を活かして、新たなpHセンシング原理の実証にも挑戦し、海底火山活動モニタリングに資する次世代海中センシング技術としてpHセンサユニットのシステム開発を目指します。

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    J-GLOBAL

  • ダイヤモンド量子センサの耐超高圧化と室温超伝導体の探索

    研究課題/領域番号:23KK0267  2024年 - 2026年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

    荒井 慧悟

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    配分額:13260000円 ( 直接経費:10200000円 、 間接経費:3060000円 )

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  • ダイヤモンド量子センサによるナノスケール高温高圧イメージングの実現

    研究課題/領域番号:21K14524  2021年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究

    荒井 慧悟

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    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    地球科学では高温高圧環境が欠かせない。高温高圧を実現する装置としてダイヤモンド・アンヴィル・セル(DAC)がある。ところが現状では、DAC内部の温度・圧力を高感度・高空間分解能でイメージングできるセンサが存在しないため、マントル組成や地殻の磁気モーメント含有量をより精緻に特定することは困難だ。本研究では、圧力・温度センサとして~1000K,~100GPa下で動作するダイヤモンド中の窒素・空孔欠陥(NVセンター)を用いて、DAC内の温度・圧力を高感度・高空間分解能で計測する手法の確立を目指している。
    <BR>
    一年目の2021年度は、NVセンターの温度感度および圧力感度を常温常圧から高温高圧に至るまで2次元パラメータ空間(T,P)で決定することを目標としていた。その最初の段階として、DACにより高圧を印加し、数10GPaに至るまでの圧力感度を常温で計測した。NVセンターの封入にあたっては、二年目に予定していたナノダイヤモンドを封入する技術を前倒しして開発し、採用した。本計測は常温で行われたため、先行研究がある。我々が得た圧力感度の結果はこれらの先行研究のものと整合しており、高温環境への拡張に対する期待が高まった。ところが、高温環境の実現にあたって、計測の再現性の観点からDAC全体を均一に加温する必要が生じたために、当初予定していたレーザー局所加熱とは異なる温度調整装置をいまだ設計している段階にある。二年目の2022年度は、高温環境を実現する装置の構築を進め、温度感度および圧力感度を温度・圧力の2次元空間でより包括的に計測することを目指す。

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  • ダイヤモンド中の窒素欠陥ノイズの分布解明によるコヒーレンス時間の2ケタ伸長

    研究課題/領域番号:20K22480  2020年9月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  研究活動スタート支援

    荒井 慧悟

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    配分額:2210000円 ( 直接経費:1700000円 、 間接経費:510000円 )

    ダイヤモンド中の窒素・空孔欠陥 (NVセンター)は、次世代IoTへの利用が期待される量子センサのひとつであり、幅広い温度・圧力環境で高感度・高解像度を提供可能である。これらの性能のうち感度については、スピン射影雑音限界やショット雑音限界等の標準量子限界によって律速される。特に、スピン射影雑音限界を決める要因のひとつであるNVスピンのコヒーレンス時間は、窒素欠陥 (P1センター)由来のノイズにより制限されており、まだまだ伸長の余地がある。そこで本研究では、P1センターのノイズ分布を解明するとともに、コヒーレンス時間を物理限界である縦緩和時間T1(~500us)まで伸長する手法を確立することを目標としている。
    <BR>
    2021年度は、前年度に構築したNVスピンおよびP1スピンのパルス制御が可能な装置を用いて、スピンコヒーレンス時間の伸長度合いの測定に取り組んだ。NVセンターに対してはラムジー・パルス列を印加してT2*コヒーレンス時間を計測できるようにした。一方で、P1センターに対しては、①RFを連続波として印加するスピンロック法、②RFπパルスを一度印加するスピン・エコー法、③RF πパルスを等間隔で多数印加する動的減結合法をそれぞれ適用し、NVセンターのT2*コヒーレンス時間を解析した。その結果、RF強度およびラムジー歳差運動時間によって①または③の一方が有利になることが少しずつわかってきている。
    <BR>
    次年度は、どのような条件でどの手法が有利になるのかを包括的に調査するとともに、これまでに構築してきたOrnstein-Uhlenbeck過程に従う量子多体系モンテカルロ・シミュレーション基盤やノイズ・スぺクトロスコピー理論を用いて上記の違いを説明することを目標とする。最終的には、本手法によるコヒーレンス時間の理論的限界を明らかにし、スピン射影雑音限界の改善度を定量的に評価することを目指す。

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  • ダイヤモンド中の電子スピンを用いたマルチモダル量子センサの開発

    2020年 - 2023年

    科学技術振興機構  戦略的な研究開発の推進 戦略的創造研究推進事業 さきがけ 

    荒井 慧悟

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    担当区分:研究代表者 

    Physical空間のセンシングは、Society5.0の実現に向けたCyber-Physical-Spaceの一翼を担う。その鍵を握る技術のひとつは、センサのマルチモダル(多機能)化だ。本研究では、ダイヤモンド中の窒素・空孔欠陥「NVセンター」を磁場・温度・圧力・回転(ジャイロ)センサとして用い、極低温~1,200°C、極低圧~60GPaといった幅広い環境で機能するシステムの開発を目指す。

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