ダイヤモンド量子センサで極限圧力下の物質変化を観測─ 地球深部環境を実験室で再現

ダイヤモンド・アンビル・セル内部を量子センシングで可視化

ダイヤモンド・アンビル・セル（DAC）は、地球マントル深部の超高圧や、極限圧力でしか起きない化学反応を実験室で再現する装置です。新材料開発には、磁性や強度などの有用特性が過酷条件下でどう変化するかを知る必要がありますが、従来のセンサでは DAC 内部の圧壊力に耐えられませんでした。

研究者たちは、ダイヤモンド結晶内の天然原子欠陥を窒素-空孔（NV）センターとして量子センサ化し、従来センサでは不可能だった実験への扉を開きました。

ダイヤモンドは炭素原子が四面体構造で結合していますが、形成時に炭素原子が格子位置から外れ、隣に窒素不純物があれば NVセンターが形成されます。この NVセンターは、単一タンパク質の磁性、単一電子の電場、生きた細胞内の温度などを測定できる微小センサとして実績があります。

研究チームは、0.1カラット・ダイヤモンドのアンビル内部に、数百原子層厚の NVセンター層を直接形成。高圧室内の物理現象をスナップショット撮影することに成功しました。

レーザー励起で NVセンサは鮮やかな赤色蛍光を発し、その輝度変化から環境の微小変化を検知。実験では、一度は平坦だったアンビル先端面が圧力下で中央部に向かって湾曲する「カッピング（cupping）」現象──圧力がアンビル先端中央に集中する現象──を捉えました。

NVセンターを DAC に組み込む手法が確立された今、研究者たちは室温付近・高圧下で無抵抗伝導する超伝導水素化物の磁気挙動探索に取り組みます。これはエネルギー貯蔵・輸送に革命をもたらす可能性があります。

センサー