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Nov 06, 2023

量子センサーは記録として残る

Sensore quantistico basato su difetti microscopici nella struttura cristallina

北京の中国科学院の物理学者らの研究によると、ダイヤモンドの結晶構造の微細な欠陥に基づく量子センサーは、140ギガパスカルもの高い圧力でも動作することができるという。 この発見は、いわゆる窒素空孔（NV）中心に基づく量子センサーの動作圧力の記録を樹立し、新たに発見された耐久性は凝縮物物理学や地球物理学の研究に利益をもたらす可能性がある。

NV センターは、ダイヤモンド内の 2 つの隣接する炭素原子が窒素原子と空の格子サイトに置き換わったときに発生します。 それらは異なるスピンを持つ小さな量子磁石のように機能し、レーザーパルスで励起すると、放出される蛍光信号を使用して、近くの材料サンプルの磁気特性のわずかな変化を監視できます。 これは、放出される NV 中心信号の強度が局所的な磁場によって変化するためです。

問題は、このようなセンサーは壊れやすく、過酷な条件では機能しない傾向があることです。 このため、ギガパスカル (GPa) の圧力がかかる地球内部の研究や、非常に高い圧力で製造される水素化物超伝導体のような材料の研究にそれらを使用することが困難になります。

この新しい研究では、北京国立物性物理学研究所および中国科学院物理研究所のGang-Qin Liu氏が率いるチームが、ダイヤモンドアンビルセルとして知られる微細な高圧チャンバーを作成することから始めた。彼らは、NV 中心の集合体を含むマイクロダイヤモンドで構成されるセンサーを配置しました。 このタイプのセンサーは、光学検出磁気共鳴 (ODMR) と呼ばれる技術によって機能します。ODMR では、最初にレーザー (この場合は波長 532 nm) を使用してサンプルを励起し、次にマイクロ波パルスで操作します。 研究者らは、高圧に強い細い白金ワイヤーを使用してマイクロ波パルスを適用しました。 最後のステップは、放出された蛍光を測定することです。

「私たちの実験では、まず異なる圧力下でNV中心のフォトルミネッセンスを測定しました」とLiu氏は説明する。 「ほぼ 100 GPa で蛍光が観察されました。これは予想外の結果であり、その後の ODMR 測定を実行することになりました。」

この結果は少々驚くべきものであったが、ダイヤモンド格子は非常に安定しており、100 GPa (1Mbar、つまり海面での地球の大気圧のほぼ100万倍)の圧力下でも相転移が起こらない、とLiu氏は指摘する。 そして、そのような高圧はNV中心のエネルギーレベルと光学特性を変化させますが、高圧では変化速度が遅くなり、蛍光が持続することができます。 それでも、彼はPhysics Worldに対し、Mbarの圧力でODMRスペクトルを取得するのは「簡単な作業ではなかった」と語った。

「克服しなければならない技術的な課題はたくさんあります」と彼は言います。 「特に、高圧によりNV蛍光シグナルが減少し、余分なバックグラウンド蛍光が発生することが挙げられます。」

研究者らは、NV 中心の大規模な集合体 (1 つのマイクロダイヤモンドに約 5 × 105) を使用し、実験システムの集光効率を最適化することで、これらの問題を克服しました。 しかし、彼らの心配はこれで終わりではありませんでした。 また、圧力分布に不均一性があると OMDR スペクトルが広がり、信号のコントラストが低下するため、センサー上の大きな圧力勾配を避ける必要もありました。

「この課題に対処するために、圧力媒体として臭化カリウム (KBr) を選択し、検出容積を約 1 um3 に制限しました」と Liu 氏は言います。 「このアプローチを使用して、ほぼ 140 GPa で NV センターの ODMR を取得することができました。」

圧力によるNVセンターのエネルギー準位の変化は予想よりも小さいことが判明したため、最大圧力はさらに高くなる可能性があると同氏は付け加えた。 「この目標を達成するための重要な課題は、圧力勾配が小さいかまったくない状態で高圧を生成することです」と Liu 氏は言います。 「圧力伝達媒体として希ガスを使用すれば、これが可能になるかもしれません。」

屋外でトンネルを見つけるために使用される量子重力勾配センサー

Liuらによると、これらの実験は、NVセンターがMbar圧力での材料の磁気特性を研究するためのその場量子センサーとして使用できることを示しているという。 一例としては、160 GPa を超える圧力でのみ合成できる高温超伝導体である LaH10 のマイスナー効果 (磁場排除) を調べることが考えられます。

研究者らは現在、センサーを最適化し、高圧限界を決定することを計画している。 彼らはまた、（蛍光収集効率を最適化することによって）磁気感度を改善し、例えば温度と磁場を同時に測定するなど、マルチモーダルセンシングスキームを開発したいと考えています。

彼らは、中国の物理学レターで現在の研究を詳しく説明しています。