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慶應義塾がダイヤモンド結晶中の新たな準粒子を発見

慶應義塾大学の研究チームが、ダイヤモンド結晶中に存在するポーラロン準粒子の新しい特性を発見しました。この研究は、最新の量子センシング技術へのアプローチを革新する可能性を秘めています。ダイヤモンド結晶において、色中心と呼ばれる不純物が導入されることで、特異な電子の振る舞いが生じることが知られていますが、その詳細なメカニズムは長い間不明でした。

研究チームは、無類の純度を誇るダイヤモンド結晶の表面近くに、微細に制御された密度のNV中心（Nitrogen-Vacancy中心）を配置しました。NV中心は、窒素と炭素原子の空孔が対になったもので、結晶の着色に影響を与えるだけでなく、周囲の環境変化に敏感に反応する特性を持ちます。これに超短パルスレーザー光を照射し、ダイヤモンドの格子振動の挙動を観察した結果、興味深い現象が発見されました。

具体的には、NV中心の密度が比較的低い状態でも、格子振動の振幅が約13倍にも増加することが明らかになりました。これにより、電子と結晶格子との関連性や、ポーラロン準粒子の役割に関する新たな視点が提供されたのです。量子力学の第一原理計算に基づいた解析では、NV中心周辺における電荷状態が正負に偏っていることも示されました。

この結果は、ダイヤモンド内におけるポーラロン準粒子の新たなタイプが存在することを示唆しています。従来、約70年前にフレーリッヒが提案したポーラロンは、ダイヤモンド結晶内では形成されないと考えられていましたが、本研究からはフレーリッヒ型のポーラロンがNV中心から飛び出し、ナノシート全体に広がっていることが判明したのです。

この成果は、NV中心に基づく量子センシング技術の発展に向けた新たな道を切り開くものとなります。多様な環境変化を高感度で捉える能力があるNV中心は、医療分野や物質科学などさまざまな領域において利用が期待されています。ダイヤモンドの持つ特性を活かしたこの研究は、より高性能で正確なセンサー開発への大きなステップです。

研究の詳細については、慶應義塾大学のプレスリリースで詳しく紹介されています。今後、ポーラロン準粒子の役割がより深く理解され、様々な応用が浮かび上がることが期待されます。さまざまな可能性を秘めたこの研究の成果は、科学界に新たな波を生み出すことでしょう。

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