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NTTと国立情報学研究所(NII)、大阪大学、情報通信研究機構(NICT)は、ダイヤモンド中に閉じ込められた電子スピンに超伝導磁束量子ビットを結合させることにより、ダイヤモンド中の電子スピンの寿命が約10倍に伸びることを示したと発表した。
今回の研究成果は、2015年3月23日に「Physical Review Letters」で公開された。なお同研究の一部は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)、JSPS科研費No. 25220601、NICTの委託研究「量子もつれ中継技術の研究開発」により得られたもの。
ダイヤモンド中の電子スピンは、数十nm程度の局所領域に閉じ込めることが可能であり、磁場や電場や温度を高い精度で検出できることから、ナノスケールの物質構造などを高精度でイメージングできるとされる量子センサへの応用が期待されている。しかし、ノイズが存在する環境下では寿命が短くなることから十分な計測時間の確保ができず、センサとしての感度が劣化するという問題点があり、ダイヤモンド中の電子スピンの寿命の向上は大きな課題となっている。
NTT物性科学基礎研究所、NII、大阪大学、NICTの研究チームでは、2011年に複数のダイヤモンド中の電子スピンと設計自由度が広く拡張性が高い超伝導磁束量子ビットという2つの異なる系をハイブリッド化した量子メモリの実現に成功。この成果を活かし、ハイブリッド系を用いたダイヤモンド中の電子スピンの長寿命化に向けて研究に取り組んできた。
今回、NTT物性科学基礎研究所、NIIの根本香絵教授、大阪大学大学院基礎工学研究科の水落憲和准教授、NICTの仙場浩一上席研究員らによる研究チームでは、100マイクロ秒程度の寿命を持つダイヤモンド中の電子スピンと短寿命(10マイクロ秒程度)な超伝導磁束量子ビットを結合させるハイブリッド化により、電子スピンの寿命が約10倍となる950マイクロ秒にまで長くなるという現象を理論的に見出した。
これは、ダイヤモンド中の電子スピンを用いた量子センサの感度が一桁近く向上することを意味しており、高い効率で物質のイメージングが可能になると期待される。また、ダイヤモンド中の電子スピンはマイクロ波の印加といった外部からの要因を用いることで長寿命化を行っていたが、同成果は、ダイヤモンド中の電子スピンを超伝導磁束量子ビットに置くだけで寿命を約10倍に長くできるという、超高感度量子センサ実現に向けたまったく新しいアプローチとなる。
同研究成果によって電子スピンの寿命が改善することで十分な計測時間の確保が可能になるため、計測感度の向上が期待される。さらに将来的に、超伝導磁束量子ビットと複数のダイヤモンド中電子スピンの間に量子絡み合いを生成することができれば、従来の精度を凌駕する量子絡み合いセンサを実現できる可能性がある。この量子絡み合いセンサが実現すれば、人や動物の脳の活動情報を高い精度で読み取って病変を特定したり、数十ナノメートル程度の極小物質の3次元構造を明らかにするなど医療分野・材料工学分野に貢献すると考えられる。
ダイヤモンド中の電子スピンとそのセンシングへの応用
超伝導磁束量子ビットとダイヤモンド中の電子スピンの結合
東京工業大学量子ナノエレクトロニクス研究センターの雨宮智宏助教と荒井滋久教授、理化学研究所の田中拓男准主任研究員、岡山大学自然科学研究科の石川篤助教らの共同研究グループは、InP系光通信プラットフォームに”透磁率”の概念を導入することに成功したと発表した。
具体的には、InP系マッハツェンダー光変調器をベースとして、デバイス内部に特殊なメタマテリアルを実装。電圧印加に伴う透磁率の変化を利用して、透過光の強度を変調することに成功し、デバイスの小型化が可能であることを示した。
キーとなる主な成果はトライゲート(Tri-gate)メタマテリアルとメタマテリアル集積型マッハツェンダー変調器の2つ。ナノスケールの金属構造で構成されたメタマテリアルに3次元トランジスタの技術を組み合わせることで、光周波数帯において電圧印加による透磁率の制御を可能とした。
トライゲートメタマテリアルは、InP系化合物半導体上に浅い溝を掘り、その内部にナノスケールの金属構造を作りこむことで、電圧制御が可能な特殊なメタマテリアルの開発に成功。同構造では、上部から電圧を印加することで、半導体内のキャリア密度を変化させることができ、それに伴って金属微細構造の応答(=メタマテリアルの特性)に変化が生じる(キャリア発現の原理は3次元トランジスタと同一)。これにより、電圧印加の有無によって、透磁率の値を制御できることになる。
また、メタマテリアル集積型マッハツェンダー変調器は、トライゲートメタマテリアルの技術を光通信デバイスへ実装することで、「透磁率制御によるメタマテリアル装荷型変調器」を実現。同素子は、マッハツェンダー干渉器の各アームにトライゲートメタマテリアルが一列に埋め込まれた構造となっており、素子上部から電圧をかけ、アーム部の透磁率を変化させることで強度変調を行う。
透磁率を制御することで、本来、屈折率の可変幅が狭いInP系デバイス内において大きな屈折率変化を持たせることが可能となり、200μmのデバイス長において約7.0dBの変調特性を得ることに成功した。誘電率と透磁率を両方使うことにより、さらなる高性能化を図ることができ、将来は、実用化されている既存デバイスと同じ性能を維持しながらサイズを1/100程度まで小型化できることが予想される。
今回の研究はレーザー・変調器をはじめとするInP系光通信プラットフォームで透磁率の概念を導入したことに特徴がある。光変調器に限らず、InP系光デバイスに広く利用できるため、さまざまなデバイスの小型化・高性能化・特殊動作化に寄与するものと期待される。
なお、同研究成果は3月23日に、英国科学誌Nature姉妹誌のオンラインジャーナル「Scientific Reports」に掲載された。
電圧制御が可能なトライゲートメタマテリアル
メタマテリアルを実装した光変調器
3月20日夕方、北陸新幹線で停電が発生して運転が一時見合わせられるトラブルが発生したのだが、このトラブルは新幹線3本が同時に加速したため変電所に上限を超える大きさの電流が流れ、安全装置が働いて電流を遮断していたことが原因だったという（読売新聞）。
新幹線3本が同時に走行すること自体は問題無いそうだが、ちょうど加速のタイミングが重なったのが問題だったようだ。JR西日本は対策として電流の上限値を上げる対策を行ったという。
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3月24日に卒業式が行われた京都大学。カオスすぎる卒業式が行われるなか、同日、卒業できなかった人たちのための”留年式”も開催されたよう。
留年式やばたんw http://t.co/GKbLfYRypR
— 青木 一 (@nasahugh) 2015年3月24日
これは、留年した京都大学法学部生しか入れない「京都大学法留会(@KyotoLawRyunen)」が企画したもの。
留年式次第(予定) ・開会の辞 ・学歌黙唱 ・元総長っぽい人の言葉 ・留年記授与、留年生代表の挨拶 ・黙祷(落とした単位、消えて行った内定、来年度の学費) ・閉会の辞
— 京都大学法留会 (@KyotoLawRyunen) 2015年3月23日
落とした単位や留年で失った内定への黙祷をはじめ、歌ってるのか歌ってないのかよく分からない学歌“黙唱”などを行ったよう。お祝いムードの卒業式とは対照的だ。
みんな、来年は卒業できるようにね…！
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西武ホールディングスは3月25日、東京・池袋の旧本社ビル建て替え計画を発表した。西武池袋駅にほぼ隣接する一帯に、西武池袋線をまたぐ形で地上18階の賃貸オフィスビルを建設。商業施設も入居し、2019年春の開業を目指す。
豊島区南池袋1丁目の旧本社ビルと線路上空、線路西側の用地を活用した約5530平方メートルの敷地に、地下2階・地上18階（高さ99.98メートル）、延べ約5万平方メートルのビルを建設。低層部は商業施設が入り、総貸室面積では池袋エリアでトップクラスになるという。今年7月の着工を予定し、総事業費は約380億円。
西武池袋駅も2012年5月の100周年を機に、全面リニューアル工事を進めており、新たなランドマークとなる新ビルの開業で池袋の活性化を図るとしている。