ハーバード大学と複数の国際機関の研究者たちは、arXivに最近発表された研究において、ダイヤモンド中の単一シリコン空孔(SiV)中心を用いた音響パーセル効果の初観測を報告した。従来、パーセル効果は原子を電磁共振器内に配置したときの自然放出の増強を記述するものである。本研究では、チームはカラーセンタースピン量子ビットの周囲にマイクロ波周波数のナノメカニカル共振器を設計し、光子ではなくフォノン(音響量子)との相互作用を制御した。SiV中心を特別に設計された光機械結晶(OMC)内に配置することで、スピン量子ビットの緩和が単一の明確に定義された音響モードによって主に支配される環境を作り出した。
この実験系は、効率的なスピン-光子界面とスピン-フォノン界面を同時に実現している。デバイスは、光子および音子の両方のバンドギャップを同時に作り出す空気孔の配列を特徴とするダイヤモンドナノフォトニック導波路で構成されている。この構造は、TE様光学モードと12.06 GHzの機械的呼吸モードを共局在化させる。実験に必要なミリケルビン温度(通常約50 mK)でのレーザー誘起加熱を避けるため、研究者たちは共局在化された光学モードを使用して単一光子レベルでスピン状態を調べた。この最小限の侵襲的な窓により、機械モードを量子基底状態近くに維持しながらレーザー分光を実行することができた。固有線幅(κm/2π≈350 kHz)や品質係数(Qm≈34,000)などの機械的特性は、ヘテロダイン光機械分光法を用いて独立に特性評価された。
研究者たちは磁場を印加してSiVエネルギー準位をゼーマン分裂させることで、スピン遷移周波数(ωs)を12 GHz機械モードと共鳴するように調整した。彼らはスピン緩和率の10倍の増加を観測した—非共鳴時の約1 kHzから共鳴時の10 kHzへ—これは音響パーセル効果の直接的な現れである。これはT1ベースのスピン-フォノン協調性(CT1)約10に相当し、これまでに記録された最高値である。さらに、磁場を掃引してスピン周波数を変化させることで、SiV中心を原子スケールのプローブとして利用し、ナノ構造の28 GHzまでの広帯域フォノンスペクトルをマッピングした。この分光法により、呼吸モードを超える複数の音響共鳴が明らかになり、これはダイヤモンド格子の歪み環境に対するスピンの配向依存的な結合によって確立されたものである。これらの結果は、固体スピンメモリと超伝導または音響量子デバイスとの間のハイブリッド量子インターコネクトを開発するための基盤を提供する。
この研究の完全な技術的詳細はarXivプレプリントで確認できる。シリコン空孔中心と量子ネットワーキングにおけるその役割に関する詳細情報については、ハーバード大学SEASのLončarグループのページを参照されたい。
2026年5月14日
