アメリカの研究者たちは、ダイヤモンド内の微小な欠陥を利用して量子センサーを開発し、電磁場を非常に高い感度で測定するための100万ドルのプロジェクトを開始しました。この取り組みは、アメリカ合衆国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所（Argonne National Laboratory, ANL）によって行われる3年間の新しいプロジェクトです。研究者たちは、電磁場の分布を正確に描くことができるコンパクトなセンサーを作成します。これらの装置は、粒子加速器や他の実験にも統合することができます。科学者たちによれば、電磁力が粒子にどのように影響を与えるかを理解することは、粒子物理学にとって重要です。
ANLの研究者でありプロジェクト共同責任者のナザール・デレガン博士は、「これは量子革命のもう一つの最前線です。5年前から10年前には、これは少しSF小説のようなものでしたが、今ではこれらが他の科学者や私たち自身にとって実用的な道であると考える傾向があります」と強調しました。
プロジェクトでは、研究者たちはダイヤモンド内の微小な欠陥、すなわち窒素-空孔中心（nitrogen-vacancy centers、略してNV中心）を研究しています。窒素原子がダイヤモンド構造内の炭素原子を置き換え、欠損した炭素原子が残した空孔の隣に位置することで、これらの欠陥が形成されます。これらの欠陥は独特の量子エネルギー状態を持ち、周囲の磁場や電場に反応します。研究者たちは光とマイクロ波を利用してこれらの変化を読み取り、欠陥を高感度の電磁センサーに変換します。アルゴンヌ国立研究所は、特別なツールを使用して、より大きな材料からダイヤモンド薄膜を切り出し、除去します。
量子センサーの発展が高エネルギー物理学研究を推進
ANLはすでに数年間NV中心技術の開発に取り組んできましたが、新しいプロジェクトは高エネルギー物理学に特化して調整されます。デレガン博士は、このプラットフォームが量子センサーを既存のマイクロエレクトロニクスシステムに直接統合することを初めて可能にするだろうと指摘しました。彼は、「工学と科学の観点から、私たちはかなりの柔軟性を持っています」と付け加えました。これにより、この技術が高い放射線レベル、極めて精密な測定、または機器のスペースが限られた実験など、さまざまな粒子物理実験で有用になる可能性があります。ダイヤモンドは放射線に対して抵抗力があるため、これらのセンサーは厳しい環境でも良好に機能します。
プロジェクトの一環として、科学者たちは超高精度のNV量子センサーや広範囲の磁場を描くことができるシステムなど、さまざまな技術の開発を目指しています。彼らはまた、電磁場が急速に変化する環境で動作できるセンサーアレイを探求します。最初の段階では、高エネルギー物理学の要求に基づいてダイヤモンド材料をカスタマイズすることに焦点を当てます。センサーは、強い磁場や高い放射線レベルの領域など、実験室や作業環境でテストされます。最終的に、チームは現場で使用可能なプロトタイプを構築し、将来の実験に統合する計画です。ANLの物理学者でありプロジェクト責任者のピーター・ウィンター博士は、プレスリリースで「私たちは、この分野の描画をさまざまな状況で実現できるかなり多様なプラットフォームを探しています」と述べました。
これらのセンサーの小型化は、実験で必要なケーブルや他の機器の数を減らす可能性もあります。成功すれば、このプロジェクトは研究者がより正確な測定を行うのを助け、ダイヤモンド内の微小な欠陥の量子特性を利用することで、宇宙の基本的な性質を探求する新たな道を開くことになります。このプロジェクトは、エネルギー省の高エネルギー物理学オフィスの量子情報科学プログラムによって支援されます。