ナノテクノロジー:量子ドットとダイヤモンドと量子ビット(キュービット)

quantum dot (量子ドット)が、ナノテクノロジー分野での技術革新に多大な恩恵をもたらすかもしれないらしいのです。量子ドットは最近よく耳にする言葉です。量子ドットディスプレイが今後の主流になるだろうとかなりの期待をされているようですが、過去にプラズマディスプレイのようなかなり悲惨な例もあるので、この辺のところは実際に量子ドットディスプレイが主流になってからの話なのではないでしょうか。そもそも量子ドットとは何なのか?と疑問が生じたので早速調べてみました。この量子ドットとは?〜0次元電子系の実現〜によると、量子ドットとは簡単に言えば、”物質Aを物質Bで覆った物で0次元電子系を実現できるナノメートルサイズの微小領域のこと”のようです。量子ドットは、さまざまなエネルギーを持ち得る自由電子を3方向から閉じ込め、その電子は原子中と同様な離散的エネルギーと持つことから、人工原子と呼ばれているらしいです。量子ドットの形やサイズを変えることで、電子のエネルギーを変えることができるようです。量子ドットは自由電子を3方向から閉じ込めた人工原子と考えればいいのかもしれません。

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量子ドットとダイヤモンド

Boffins slap quantum dots on diamonds to create mutant nanomaterials

Researchers have found a new way to speed up the process of doping nanomaterials by adding quantum dots to tiny diamonds, which could advance electronics and quantum computing in the future, according to a paper published in Nature Communications.

「Nature communications誌に発表された研究論文によれば、研究者は、将来的に電子技術と量子計算を飛躍的に発展させる可能性を秘めた、微小のダイヤモンドに量子ビットを加えることで、ナノマテリアルの不純物添加の工程を加速する新たな方法を発見しました。」

The electronic properties of nanomaterials are manipulated by adding impurities called dopants. The doping process, however, is slow and expensive. But with the help of nanodiamonds, researchers from the University of Maryland have figured out a way to improve the doping process by creating a new diamond-based hybrid nanomaterial.

「ナノマテリアルの電子的特性は、ドーパントと呼ばれる不純物を添加することで自由に変えることが可能になります。ドーピングプロセスは、とは言っても、時間とお金がかかります。しかし、ナノダイヤモンドの助けを借りる事で、メリーランド大学の研究者は、新しいダイヤモンドベースのハイブリッドナノマテリアルを作ることで、ドーピングプロセスを改善する方法を見つけ出しました。」

Pure diamonds are rare, expensive, and have a rigid structure made out of carbon atoms. To make the doping process cheaper, researchers artificially produced the diamonds and inserted nitrogen atoms inside. The nitrogen is an impurity, breaking up the diamond’s perfect carbon structure. It replaces one carbon atom in that structure with a nitrogen atom, and leaves an empty space where another carbon would normally be – also known as a nitrogen vacancy.

「純粋なダイヤモンドは希有で高価で、そして、炭素原子から成る剛構造を有しています。ドーピングプロセス(不純物添加工程)を安価なものにするために、研究者は人工的にダイヤモンドを生産し、窒素原子を内部に添加しました。その窒素原子が、ダイヤモンドの完璧な原子構造を破壊する不純物になります。それがダイヤモンドの原子構造中の一個の炭素原子と一個の窒素原子とを差し替えて、普通は他の炭素原子が存在する場所を空にします。この現象は窒素空孔の別名でも知られています。」

ダイヤモンドに窒素原子という不純物を添加することで、窒素空孔を作り出すようです。この人口ダイヤモンドに量子ドットを組み合わせることで、自由に電子特性を変えられるハイブリッドナノマテリアルを作り出すことが可能になるみたいです。

量子ビットへの応用が期待できる

このハイブリッドナノマテリアル(合成超微小素材)を量子ビットに転用する事が期待されているようです。

The nitrogen vacancy also exhibits quantum properties which could allow it to behave as a qubit, at room temperature, according to Ouyang. Qubits are used in quantum computers to perform calculations. A room temperature qubit would significantly advance quantum computing as most qubits need to be cooled to ultra-cold temperatures before they can be studied.

「Ouyangによれば、窒素空孔はまた常温で合成超微小素材がキュービットとして働くことを可能にする量子特性を示しているようです。量子ビットは計算を実行する量子コンピューターに使われています。常温キュービットは、ほとんどのキュービットが研究する前に超低温に冷却する必要があるので、飛躍的に量子計算を進歩させるかもしれません。」

常温超伝導が未来を180度変える可能性を秘めていることは知っていましたが、常温キュービットが量子コンピューターの未来を大きく切り開く可能性を秘めているみたいです。超伝導キュービットから常温キュービットへの技術革新が起きれば、量子コンピュータの一般利用も可能になるかもしれないようです。100年後ぐらいには量子パソコンとかの時代になっているんでしょうかね~。未来人が羨ましいとしか言えません。

高機能センサへの応用

ダイヤモンドの魅力、高機能センサへの応用の可能性

世界の注目が高まっているダイヤ中の窒素-空孔センタ(NVC)の現象と、それを応用したセンサを紹介する。NVCは室温で単一スピンを操作・検出するこ とが可能で、その状態を光検出磁気共鳴でイメージングできる特徴がある。また、磁場、温度、電場、歪(ひずみ)の物理量の検出、量子センシング機能を有する。さらに、NVCは1単位のナノスケールから、結晶内に高密度で生成した巨視的サイズまで、スケーラブルなセンサの実現が期待できる。

窒素空孔が秘める潜在的可能性は非常に高そうです。今後の動向に注視する必要がありそうです。ナノテクノロジー分野は世界的な覇権争いが激しいらしいので、日本にも是非頑張ってもらいたいものです。

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