新しいX線技術、量子材料のレーザーパルスへの反応観測を支援

インサイダー・ブリーフ

• アルゴンヌの研究者たちは、超短パルスレーザーに対する炭化ケイ素の反応を追跡するためのX線イメージング技術を開発し、量子欠陥生成の精度を向上させる可能性のある知見を提供した。
• 測定の結果、エネルギーが高速な機械的波として結晶内を移動し、よりゆっくりと熱として拡散することが明らかになり、表面から内部にかけての変化を捉えた。
• この技術は、研究者がレーザー条件を微調整して、量子ビットとして使用するためのより信頼性の高い欠陥を作成するのに役立つ可能性があるが、正確な配置は依然として長期的な目標である。
• 画像：アルゴンヌで開発された新しい技術では、材料にレーザー光のパルスが照射された後の制御された時間に、X線ビームが炭化ケイ素に向けられる。X線はカメラのように機能し、科学者が材料のレーザーに対する反応をリアルタイムで観察できるようにする。（Haidan Wen/Argonne National Laboratory）

プレスリリース — 量子デバイスの作成は、多くの場合、意図的に結晶を損傷させることから始まる。

科学者は超短パルスレーザーを材料に照射し、原子を元の位置から追い出し、空孔と呼ばれる微細な不完全性を残す。これらの空孔は欠陥どころか、量子情報の基本構成要素である量子ビットとして振る舞うことができる。

課題は精度だ。

研究者たちは、これらの量子欠陥を必要な場所に正確に配置したいと考えているが、これまでは、レーザーが欠陥を作り出す瞬間に結晶の内部で何が起こっているのかについて、限られた理解しか持っていなかった。

米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の科学者たちは現在、その問題の解決に向けた重要な一歩を踏み出した。

DOE科学局の利用者施設であるアドバンスト・フォトン・ソース（APS）を使用して、チームは新しいX線イメージング技術を開発した。これにより、超短パルスレーザーが照射された直後の炭化ケイ素の反応を、3次元かつリアルタイムで観察できるようになった。彼らの研究は、レーザーのエネルギーが材料内をどのように移動するかをリアルタイムの画像で提供しており、原子レベルの精度で量子デバイスを構築するための重要なステップとなる。

この研究はACS Nanoに掲載され、アルゴンヌが主導するDOE国家量子情報科学研究センターであるQ-NEXTの支援を受けた。

「量子欠陥を精密に設計できるようになる前に、レーザーが材料の内部で何をしているのかを正確に理解する必要があります」と、論文の著者の一人であるアルゴンヌの科学者 Haidan Wen 氏は述べた。「この技術により、そのプロセスが展開される様子、特に原子がこれまで不可能だった方法でどのように移動するかを見守ることができます。」

より優れた量子材料の構築

量子物理学の特殊な特徴を利用した量子情報技術は、情報の共有に新しい方法をもたらすと期待されている。それらは創薬を加速させ、金融取引の保護を助け、量子コンピューティングを使用して現在は解決困難な問題に解決策を提供することができる。これらの技術の基礎となるのが量子ビットである。