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2025-11-29 22:07:00
世界中の研究室で、科学者たちは目に見えないほどかすかで、触れることができないほどの力を追いかけています。彼らは、材料を原子ごとに波打つ小さな磁気信号を探します。これらの信号には、明日のエレクトロニクス、センサー、コンピューターがどのように機能するかを知る手がかりが含まれています。現在、チームは プリンストン大学 ダイヤモンド内部の欠陥と量子物理学からのトリックを使用して、その隠された世界をこれまでよりも明確に見る方法を発見したと述べています。
Nature 誌に掲載された研究で、研究者らは、以前のダイヤモンドベースのツールよりも約 40 倍感度の高い量子センサーを報告しています。このセンサーは、ラボ グロウン ダイヤモンド内の人工的な欠陥から作られており、小さな磁気コンパスのように動作します。量子もつれによってペアになりリンクされると、光線が到達できるよりもはるかに小さいスケールで磁気ノイズを明らかにする方法で一緒に動作します。
電気工学およびコンピュータ工学の准教授で、この研究の主任著者であるナタリー・デ・レオン氏は、この研究は自然の最小の動きに対する新たな窓を開くものであると述べた。
「まったく新しい種類の遊び場があります」とデ・レオンは言いました。 「こうしたものは伝統的な技法では見ることができません。」
ジャレッド・ロヴニー氏（右）は、エンタングルメントをリソースとして使用し、追加コストをほとんどかけずに大きな量子的優位性を実現する方法を発見した。彼の顧問であるナタリー・デ・レオン氏（左）によれば、これはまれな偉業だという。 (クレジット: Sameer A. Khan/Fotobuddy)
秘密の欠陥を持つダイヤモンド
センサーの心臓部は窒素空孔センターと呼ばれるものです。複雑そうに聞こえますが、考え方はシンプルです。完璧なダイヤモンドでは、炭素原子が硬い結晶を形成します。炭素原子を 1 つ取り除き、別の炭素原子を窒素原子に置き換えると、小さな欠陥が生じます。この欠陥は電子をトラップし、磁場が近くにあるとその挙動が変化します。
それらの変化はレーザー光で読み取ることができます。過去 10 年間にわたり、科学者たちは単一欠陥を磁気センサーとして使用する方法を学びました。彼らは電子電流、微小な核信号、さらには生きた細胞さえも研究してきました。
しかし、まだ問題が 1 つ残っていました。ほとんどの実験では、各欠陥を単独の監視者として扱いました。しかし、実際のマテリアルは乱雑で、動きが生き生きとしています。重要なのは、ある時点での磁場の強さだけではなく、それが場所ごと、そして瞬間ごとにどのように変化するかです。
既存のツールはその作業に苦労していました。中性子散乱などの技術は、一度に膨大な量を表示します。走査プローブは表面に近づくことはできますが、互いに十分に近づくことはできません。光学顕微鏡では、2 つの光源の距離が約 250 ナノメートル未満の場合、それらを区別することができません。最も興味深いプロセスの多くは、はるかに小さいスケールで発生します。
プリンストンのチームはまさにそのギャップを狙った。
光の限界の下を見る
まず、研究者らは、顕微鏡下で欠陥が 1 つのぼやけた点として光っている場合でも、2 つの欠陥間の磁気的なつながりを測定する方法を発見しました。彼らは特別なイメージング手法を使用して、セットアップ中に各欠陥の正確な位置をマッピングしました。次に、測定中に、両方からの合成光を読み取ります。
同一位置に配置された NV 中心の 6 つの異なるペアの代表的な XY スペクトル。 (クレジット: 自然)
信号を分離するために、計画されたパターンで各量子センサーを反転する 4 ステップのシーケンスを実行しました。各ステップで全体の光がどのように変化するかを比較することで、2 つの欠陥がどのように反応するかを明らかにしました。この方法は核磁気共鳴を利用しており、センサーが別々の点として見えない場合でも機能します。
より厄介なケースとして、2 つの欠陥が同じ方向とエネルギーを共有する場合、チームはすでにダイヤモンド内にいる協力者を要請しました。炭素の珍しい形態である炭素 13 原子は、独自の磁気スピンを持っています。人が欠陥の近くに座ると、独特の方法でその欠陥を押しのけます。
そのナッジに同調することで、科学者たちは一方のセンサーに触れることなく、もう一方のセンサーを制御することができました。これにより、同じ 4 ステップのパターンを実行し、10 億分の 1 メートルまでの距離で磁気リンクを測定できるようになりました。
これらの方法は大きなハードルを越えました。しかし、それらには欠点がありました。各センサーは依然として独自のランダム ノイズを生成しました。チームがリンクを見つけるために 2 つの信号を乗算すると、ノイズも乗算されました。
この解決策は、センサーが別の方法で相互に通信できるようにすることで実現しました。
2つのセンサーが1つになるとき
最も劇的な飛躍は、研究者らが 2 つの欠陥を約 10 ナノメートル離れて非常に近くに配置し、それらが強く相互作用し始めたときに起こりました。そのために、彼らは毎秒 30,000 フィート以上の速度で窒素分子をダイヤモンドに発射しました。衝突すると、各分子が分裂し、2 つの原子が結晶の中に潜り込み、表面から数十個の原子の位置で静止します。
低磁場での分解されたスピン遷移と回折限界以下の相関を検出するためのプロトコル。 (クレジット: 自然)
その距離で、2 つのセンサーは量子パートナーになりました。それらの電子は、もつれペアとして知られる共有状態に固定されました。 1 つを変更すると、もう 1 つがすぐに反応します。
アルバート・アインシュタインはかつてこのアイデアを「遠くから見る不気味な行動」と嘲笑した。この場合、不気味さが功を奏します。
チームは 2 種類のもつれ状態を作成しました。 1 つ目では、このペアは共有された磁気ノイズに強く反応します。もう一方では、ほとんど気づかれません。同じ条件下で状態がどのように変化するかを比較することで、科学者らは 2 点間でどれだけの磁気信号がリンクしているかを読み出しました。
「これは、この量子センサーを操作する非常に新しい方法であり、これまで不可能だったことを調査できるようになります」と、物理学者のフィリップ・キム氏は述べています。 ハーバード大学 研究に関与していない人。
その見返りは非常に大きいです。エンタングルメントでは、信号は単純かつ線形的にノイズに依存します。これにより、読み物がはるかにすっきりします。かつては数時間かかっていた作業が数分で完了し、チームは時間のかかる方法の代わりに単一の緑色レーザーを使用できるようになりました。
「今私がしなければならないのは、単一の測定、つまり単一の通常の測定だけです」とデ・レオン氏は言いました。
パンデミックのアイデアから研究室の現実へ
この研究は、研究室が沈黙していた新型コロナウイルス感染症の初期に始まりました。当時プリンストン大学の博士研究員だったジャレッド・ロブニーは理論に目を向けた。
局所核スピンを使用して、光学的およびスペクトル的に未解決の共整列した NV 中心間の相関を検出します。 (クレジット: 自然)
「これは、奇妙なコロナ理論プロジェクトの 1 つとして始まりました」とデ・レオン氏は語った。
ロブニーは核磁気共鳴を研究していました。核磁気共鳴では、個々の信号と同じくらい相互作用が重要です。
「私のNMR的な側面は、本当に常に相互作用について考えていたんです」とロブニーは語った。
彼は、当時ウィスコンシン大学マディソン校にいたシモン・コルコウィッツと協力して、絡み合っていないセンサー間のリンクを測定する方法をテストしました。その取り組みが 2022 年の論文につながりました。 科学。しかし、その方法は使いにくく、時間がかかりました。
「私が気づいたのは、それらを絡めると、相関関係の有無がシステムに痕跡を残すようなものであるということです」とロブニー氏は語った。
ロブニー氏は現在、量子スタートアップの Logiqal に勤めているが、彼が発案に貢献したアイデアによって、これらの小さなダイヤモンドができることは再形成された。
見えないものの新しい地図
チームはまた、磁気リンクが時間の経過とともにどのように進化するかを追跡する方法も構築しました。 1 つの方法では、測定ウィンドウの途中でセンサー間で情報を交換します。別の例では、センシング期間をオーバーラップさせて、短いちらつき信号を捕捉します。
これらのツールを使用すると、科学者は100万分の1秒までの急速な変化を追跡し、磁気パターンがどのように広がるかを観察できます。
影響は広範囲に及ぶ可能性がある。このセンサーは、電子がどのようにグラフェンを通過するか、超伝導体内部で渦がどのようにねじれるか、または量子デバイスに接触する表面からノイズがどのように浸透するかを明らかにする可能性がある。
そうした資料を研究しているキム氏は、将来性があると考えている。
「その範囲は、実際には、関心のある長さのスケールです」と彼は言いました。
このアプローチはダイヤモンド以外にも及ぶ可能性があります。絡み合ったセンサーは、超電導コンピューターを安定させ、原子時計を研ぎ澄まし、微弱な磁気信号に依存するナビゲーションシステムを改善するのに役立つ可能性がある。
この研究の核心は、量子の奇妙さが単なる好奇心ではないことを示しています。それはツールになる可能性があります。
光自身の波よりも小さい空間で、磁場が渦巻いて電流が跳ね上がる場所で、これらのダイヤモンドの傷は、かつては到達不可能と考えられていた動きを観察できるようになりました。
研究の実際的な意味
この進歩により、科学者が新しい材料、特にエレクトロニクス、エネルギーシステム、将来のコンピューターで使用される材料を設計およびテストする方法が変わる可能性があります。磁気ノイズが最小スケールでどのように動作するかを追跡することで、研究者は、デバイスが故障したり、エネルギーが失われたり、予測不可能な動作をしたりする理由をより深く理解できるようになります。
このセンサーは、医療用スキャナー、送電網、磁気軌道上に浮かぶ列車用の超電導体の改良に役立つ可能性がある。また、隠されたエラーの原因を明らかにすることで、量子コンピューターの安定性を高めることもできます。
長期的には、この研究は、自然界の最も静かな信号に対するより明確な視点に基づいて、より高速、より小型、より信頼性の高いテクノロジーを目指しています。
研究結果は雑誌でオンラインで入手できます 自然。
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