量子力学者は、自然界を極限まで高感度に探索する新しいツールを設計した

Newswise -UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunicationsの Jarryd Pla准教授と彼のチームは、同僚のScientia Professor Andrea Morelloとともに、週末にScience Advances誌に発表した論文で、材料中のスピンを高精度で測定できる新しいデバイスについて説明しました。

「電子のスピン（上向きか下向きか）は、自然界の基本的な性質です」とプラ教授。「磁気ハードディスクで情報を保存したり、MRIで水分子のスピンを利用して体内を画像化したり、量子コンピュータを作るのにもスピンが使われている。

"したがって、物質内部のスピンを検出できることは、あらゆる用途で重要です。特に化学や生物学の分野では、物質の構造や目的を理解するために使用でき、より良い化学物質や薬などを設計することができます。"

化学、生物学、物理学、医学などの研究分野において、スピンを測定するための道具を「スピン共鳴分光器」と呼ぶ。通常、市販の分光器では、正確な測定値を得るために数十億から数兆個のスピンが必要ですが、プラ教授らは数千個のオーダーの電子のスピンを測定することができ、新しいツールは約100万倍の感度を持つことになりました。

ミクロのサンプルや二次元材料、高品質の太陽電池など、市販のツールでは測定できないさまざまなシステムがあり、スピンの数が少なすぎて測定可能な信号が得られないからです。

研究チームは、超伝導量子コンピュータ用の量子メモリー素子を開発中で、この画期的な成果はほとんど偶然にもたらされた。このメモリ素子の目的は、超伝導電気回路から、その下に置かれたスピンのアンサンブルに量子情報を転送することであった。

「このデバイスは、メモリ素子としては計画通りには機能しませんでしたが、スピンアンサンブルの測定には非常に優れていることに気づきました」と、この研究の主執筆者であるWyatt Vine氏は言います。「スピンが信号を発するときにマイクロ波を照射することで、信号がデバイスを離れる前に増幅されることを発見しました。しかも、この増幅は、ほとんどノイズを加えることなく行うことができ、量子力学が設定した限界にほぼ達することができました。"

これまでにも超伝導回路を用いた高感度分光器は開発されていたが、複数の部品を必要とし、磁場との相性が悪く、0.01ケルビンまで達する高価な「希釈冷凍機」を用いて極低温環境下で運用しなければならなかった。

今回の開発では、プラ教授とチームが1つのチップにコンポーネントを統合することに成功したという。

"私たちの新技術は、分光器のいくつかの重要な部分を1つのデバイスに統合し、比較的大きな磁場に対応するものです。スピンを測定するには、地球の磁場の1万倍である約0.5テスラの磁場に置く必要があるため、これは重要なことです。

"さらに、我々のデバイスは、これまでの実証実験よりも10倍以上高い温度で動作し、希釈用冷蔵庫を使用する必要がないことを意味します。"

プラ教授によると、UNSWのチームはこの技術を特許化し、商業化を視野に入れているが、まだやるべきことがあると強調する。

"これをパッケージ化して製品化すれば、他の研究者が既存の商用システムに接続して感度を上げることができるようになる可能性がある。

"この新しい技術が適切に開発されれば、化学者、生物学者、医学研究者を助けることができます。現在、これらの大きなハイテク企業が作ったツールに頼っていて、機能しますが、もっと桁違いに良いことができるかもしれません。"

（リンク：https://www.newswise.com/articles/quantum-engineers-have-designed-a-new-tool-to-probe-nature-with-extreme-sensitivity）