2D材料で量子ブレイクスルー

June, 11, 2024, Manchester--科学者たちは、層状の2次元材料の「単一の原子欠陥」が室温でマイクロ秒の間量子情報を保持できることを発見し、量子技術の進歩における2次元材料の可能性を強調している。 マンチェスター大学とケンブリッジ大学の研究者が、六方晶窒化ホウ素(hBN)と呼ばれる薄い材料を使って発見したこの欠陥は、常温条件下でスピンコヒレンス(電子スピンが量子情報を保持できる性質)を示している。また、このスピンを光で制御できることもわかった。 これまで、これを実現できた固体材料はごくわずかであり、量子技術における大きな一歩を踏み出した。 Nature Materials誌に掲載されたこの知見は、室温でアクセス可能なスピンコヒレンスが、研究チームが当初想像していたよりも長いことをさらに確認している。 論文の共著者、研究が行われたケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所のポスドク研究員Carmem M. Gilardoniは、「この結果は、これらの電子のスピンに特定の量子状態を書き込むと、この情報が100万分の1～100万分の1秒間保存されることを示しており、このシステムは量子アプリケーションにとって非常に有望なプラットフォームとなっている。 「短いように思えるかも知れないが、興味深いのは、この系は特別な条件を必要としないこと。室温でもスピン量子状態を保存でき、大きな磁石を必要としない」と話している。 “ 「この方向への新たな一歩が、量子技術のスケーラブルな実装を前進させる」（王立協会大学研究員、マンチェスター大学講師、Dr Hannah Stern）。 六方晶窒化ホウ素(hBN)は、原子1個分の厚さの層を積み重ねた極薄の材料で、紙のようなものである。これらの層は分子間力によって結合されているが、これらの層の間には、分子が閉じ込められた結晶のように、「原子欠陥」と呼ばれる小さな欠陥がある場合がある。これらの欠陥は、目に見える光を吸収して放出することができ、電子の局所的なトラップとしても機能する。hBNには欠陥があるため、科学者たちは、これらの捕捉された電子がどのように振る舞うか、特に電子が磁場と相互作用することを可能にするスピン特性を研究することができる。また、室温で欠陥内の光を使って電子スピンを制御・操作することもでき、これはこれまでにないことである。 論文の筆頭著者、王立協会大学のリサーチフェロー兼マンチェスター大学講師、Dr Hannah Sternは、「このシステムに取り組むことで、新素材の基礎研究の力が浮き彫りになった。hBN系については、分野として、励起状態ダイナミクスを他の新材料プラットフォームに利用し、将来の量子技術に応用することができる。 「新しい有望なシステムによって、利用可能な材料のツールキットが広がり、この方向への新しい一歩が踏み出されるたびに、量子技術のスケーラブルな実装が前進する。」 Richard Curry教授は、「量子技術のための材料の研究は、この分野における英国の野心を支えるために不可欠である。この研究は、量子技術のための材料分野におけるマンチェスター大学の研究者による新たな画期的な成果であり、この分野における私たちの研究の国際的な影響をさらに強化するものである」とコメントしている。 技術的応用に十分成熟するまでには、まだ調査すべきことがたくさんあるが、この発見は、特にセンシング技術における将来の技術応用への道を開くものである。 科学者たちは、これらの欠陥をさらに良く、より信頼性の高いものにする方法をまだ模索しており、現在、スピンの蓄積時間をどこまで延ばすことができるかを調べている。また、量子技術への応用に重要なシステムや材料のパラメータ(欠陥の経時安定性や欠陥から放出される光の品質など)を最適化できるかどうかも調査している。