世界最高濃度の室温量子スピンを有するダイヤモンド結晶の作製により、 理論的に存在が予測されていた「時間結晶」の室温観測に成功

2017/03/09

筑波大学知的コミュニティ基盤研究センター 磯谷順一名誉教授、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構高崎量子応用研究所 小野田忍博士、住友電気工業株式会社アドバンストマテリアル研究所 角谷均博士らは、ハーバード大学（米国）、ウルム大学（ドイツ）、プリンストン大学（米国）、カリフォルニア大学バークレー校（米国）などのグループとの共同研究により、室温での離散的時間結晶の生成を実験により実証することに成功しました。

液体から結晶への相変化のように、３次元空間の並進対称性の破れは、物性分野で既に知られているのに対して、時間並進対称性の破れは、その存在が理論的に予測されるにとどまっていました。本研究では、ダイヤモンド結晶中の強い相互作用と不規則性とをあわせもつ、約100万個の量子電子スピン集団を用いて、室温での離散的時間結晶の生成の観測に成功しました。この試料は、本研究グループが開発した高温電子線照射技術によって作製されたもので、ダイヤモンド結晶中のNVセンターを平均距離5 nmという世界最高濃度で含んでいます。このような、時間並進対称性を破った離散的時間結晶という新しい相を、非平衡状態の量子系で実現できたことは、量子多体系のダイナミックス制御のマイルストーンとなる成果であり、量子コンピューティングの量子メモリや量子計測の高精度化への応用も期待されます。

図　本研究に用いたダイヤモンド結晶
（左）高圧高温法ダイヤモンド結晶：炭素原子を置き換える形の不純物窒素原子を高濃度(百数十ppm程度)に含むので黄色を示す。
（中）NVセンターを高濃度に含む結晶：NVセンターは光を強く吸収するので、高濃度ではほとんど黒色に近づく。
（右）NVセンターを低濃度に含む結晶：不純物窒素濃度の低い結晶と低フルエンスの電子線照射を用いた。0.05 ppmという低濃度でもNVセンターによる着色が明瞭である。

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