2024/09/02
国立大学法人筑波大学
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庆应义塾大学
国立研究开発法人科学技术振兴机构（闯厂罢）
电子と结晶格子の振动をまとめて一つの粒子とみなしたものをポーラロン準粒子と呼びます。色中心と呼ばれる不纯物を导入したダイヤモンド结晶に超短パルスレーザー光を照射し、その反射率の変化を精密测定した结果、ポーラロンが色中心の周りに飞び出して协力しあうことを発见しました。
ダイヤモンドの結晶中に不純物として窒素（Nitrogen）が存在すると、すぐ隣に炭素原子の抜け穴（空孔：Vacancy）ができることがあります。この窒素と空孔が対になったNitrogen- Vacancy（NV）中心はダイヤモンドの着色にも寄与し、色中心と呼ばれる格子欠陥となります。NV中心には周辺環境の温度や磁場の変化を極めて敏感に検知して量子状態が変わる特性があり、この特性を高空間分解能?高感度なセンサー機能として利用することが期待されています。NV中心の周りの結晶格子の歪み（ひずみ）により、NV中心の電子のエネルギー準位が分裂することが分かっていますが、電子と格子歪みの相互作用メカニズムなど詳細については、ほとんど解明されていませんでした。
本研究では、纯度の高いダイヤモンド结晶の表面近傍に、密度を制御した狈痴中心を极めて薄いシート（ナノシート）状に导入しました。そのシートにパルスレーザーを照射し、ダイヤモンドの格子振动の様子を调べた结果、狈痴中心の密度が比较的低いにもかかわらず、格子振动の振幅が约13倍に増强されることが分かりました。そこで、量子力学に基づく计算手法（第一原理计算）で狈痴中心の周りの电荷状态を计算したところ、正负の电荷が偏った状态になっていることが分かりました。
电子と结晶格子の振动をまとめて一つの粒子とみなしたものをポーラロン準粒子と呼び、これにはいくつかのタイプがあります。ダイヤモンドでは、约70年前にフレーリッヒが提案したタイプは形成されないと考えられていましたが、今回の解析结果は、フレーリッヒ型のポーラロンが狈痴中心から飞び出してナノシート全体に広がっていることを示しています。本研究成果は、ポーラロンを利用した狈痴中心に基づく量子センシング技术の新たな戦略への道筋を开くものです。
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