2000年代半ば、ダイヤモンドは物理学界で一大ブームを巻き起こしました。しかし、その大きさ、色、輝きが注目されたわけではありません。当時のダイヤモンドは醜悪なものでした。研究者たちは、ダイヤモンドを数ミリメートル四方の平らな正方形に切り分け、薄いガラス片のように加工しました。そして、そこにレーザーを照射したのです。
おそらく最も貴重な逸品は、ウラル山脈で採掘された極小のダイヤモンドだった。「私たちはそれを『魔法のロシアのサンプル』と呼んでいました」とワシントン大学の物理学者カイ・メイ・フーは語る。ダイヤモンドは極めて純粋で、ほぼ炭素のみだった。これはこの混沌とした世界では珍しいことだ。しかし、わずかな不純物が含まれていて、奇妙な量子力学的特性を与えていた。「学術グループの間でばらばらに切り刻まれていました」と、ダイヤモンド片を扱ったフーは言う。「ノミで少し削り取るだけです。そんなにたくさん必要ありませんから」。これらの特性は有望だったが、物理学者たちが研究できるダイヤモンドはほんの一握りしかなく、多くの実験を行うことはできなかった。
もうそれは問題ではない。今では、フーはオンラインで500ドルの量子グレードダイヤモンドを実験用に購入できる。デビアス傘下のエレメントシックス社から購入できるのだ。同社は長年、掘削や機械加工用の合成ダイヤモンドを製造してきたが、2007年には欧州連合（EU）の資金援助を受けて、まさに物理学者が必要とする種類のダイヤモンドの製造を開始した。そして、もはや物理学者だけではない。今日、合成量子ダイヤモンドの供給は非常に豊富であり、多くの分野でその用途が模索されている。
エレメントシックス
最初に恩恵を受けた分野は量子コンピューティングでした。量子コンピューターは、理論上は通常のコンピューターよりも指数関数的に高速に特定のタスクを計算できるはずで、スピンや偏光といった量子力学的特性に情報をエンコードします。これらの特性は非常に不安定になりがちです。しかし、レーザーでダイヤモンド内の不純物を操作して情報をエンコードすると、ダイヤモンドの結晶構造がその情報を保護し、保持します。物理学者たちは、隣接する不純物を制御された方法で相互作用させ、基本的なアルゴリズムを実行できるように研究しています。
エレメントシックス社は、これらの完璧な不完全さを持つダイヤモンドを、華氏約2,300度（摂氏約2,300度）の炉で合成します。シードダイヤモンドを原料として、同社のエンジニアはメタンなどの炭素含有物質、水素、窒素などのガスを炉に送り込みます。ガス分子が加熱されると、個々の原子に分離し、その一部がシードダイヤモンドに付着します。選りすぐりの窒素原子が数個紛れ込み、水素が炭素層を適切な結晶構造に成長させます。「炭素は本当はダイヤモンドになりたがっているわけではありません」と、エレメントシックスの科学者マシュー・マーカム氏は言います。「炭素は実際にはグラファイトのような状態を好むのです。」
ハーバード大学物理学科の大学院生、ジェニー・シュロスさんは、エレメントシックス・ダイヤモンドにレーザーを照射し、近傍の磁場が互いにどのように干渉するかを測定しています。しかし、その前に、ダイヤモンドをさらに乱さなければなりません。
エレメントシックスが販売するダイヤモンドには窒素不純物が含まれているが、シュロス氏のグループが必要としているのは、そのすぐ隣にある窒素空孔と呼ばれる空孔だ。（ちなみに、シュロス氏は大学時代の友人である。）そこで彼らは、ダイヤモンドをニュージャージー州にあるプリズム・ジェムという小さな会社に送る。同社の取引の大半は宝飾品会社向けで、高エネルギー電子ビームで炭素原子を叩き出すことでカラーダイヤモンドを作る依頼を受けている。しかし、物理学者も同じプロセスを使って、研究用ダイヤモンドにもっと有用な空孔を作ることができる。
プリズム・ジェム社は、ダイヤモンドに電子を何時間も、時には何日間も照射し、適切な数の穴を開ける。「科学者は通常、求めている技術仕様を把握しています。1センチメートルあたりに必要な電子の数に関する情報を私たちに送ってくれます」と、プリズム・ジェム社の最高技術責任者、アシット・ガンディー氏は言う。「ジュエリーの場合はもっと主観的です。ライトグリーン、ダークグリーン、ピンクなど、様々な色を希望するでしょう。」電子ビームの下に置かれると、シュロス氏のダイヤモンドは窒素不純物によって元々黄色に染まっていたが、淡い青色に変わる。
その後、彼女の研究チームはダイヤモンドを再度焼成します。これにより、正孔が窒素不純物の隣に移動し、念願の窒素空孔中心が形成されます。最終的な色は、必要な不純物の量に応じて、透明からピンク、そして赤へと変化します。
量子ダイヤモンドのサプライチェーンが整備されたことで、物理学者たちは実験を何度も繰り返し、ダイヤモンドを研究し、いじくり回すことができるようになった。しかし、ダイヤモンドの不純物を計算可能なビットへと変換するのは、ゆっくりとしたプロセスだった。「結論はまだ出ていません」とフー氏は言う。「ダイヤモンド内の量子ビットは、これまで2つしか接続されていません。物事がよりスケーラブルになるまでは、これが確実なことだと断言できる人はいないでしょう。」
しかし、ダイヤモンドをより詳細に理解することで、研究者たちは意図せずして、その別の用途を見出しました。ハーバード大学の物理学者、ミハイル・ルーキンと、シュロスの研究指導教官であるロナルド・ウォルズワースは、窒素空孔ダイヤモンドにレーザーを照射すると、磁石の近くにある場合とない場合で発光量が異なることを発見しました。このダイヤモンドは、ある種の磁気センサーとして機能する可能性があります。しかも、電流センサーは絶対零度近くまで冷却する必要があるため、それほど大きくはありません。
そこで2010年代初頭、ルーキンとウォルズワースの研究チームは、刺激を受けると磁場を放出する神経細胞の研究にダイヤモンドを使い始めました。彼らはまず、人間の髪の毛よりも太いイカの神経細胞から着手しました。大学院生のマシュー・ターナーはウッズホール海洋生物学研究所を訪れ、新鮮なイカから細長い白色のニューロンを切り出し、氷上に保存した後、バスで研究所に戻り、電気刺激下での磁場を測定しました。
その後、研究チームは研究対象を、実験室の水槽で飼育可能な海洋性蠕虫のニューロンへと切り替えました。約1年前、彼らはダイヤモンドがこれらのニューロンを研究する上でどれほどの感度を持つかに関する論文を発表しました。現在、彼らはダイヤモンドを用いて、ヒトの心臓細胞から放出される磁場を研究しています。
彼らはエレメントシックスとも直接協力している。助成金の見返りとして、同社は彼らにダイヤモンドを送っている。最近、同社はクッキーほどの大きさの円盤に4つのダイヤモンドを埋め込んだものを送った。これは、強力なレーザーが当たった際に1つのダイヤモンドが過度に加熱されるのを防ぐためのものだ。「なぜ4つのダイヤモンドがあるのかは分かりません」とシュロス氏は言う。「まだ有効な使い道が見つかっていないんです」
エレメントシックスは量子グレードダイヤモンドの主要サプライヤーです。「今のところ、独占ではないにせよ、ほぼ独占状態です。特にアクセスに関してはそうです」とフー氏は言います。シュロスとターナーの研究室は予備実験のためにeBayから品質の低いダイヤモンドを購入しましたが、うまくいきませんでした。
一方、物理学者たちは実験だけでなく、この新技術の発展にも取り組んでいます。ハーバード大学の研究所はすでに、医療診断用のダイヤモンドベースの画像装置を開発するために、Quantum Diamond Technologiesという小さな会社を設立しました。
最終的には、このダイヤモンドが人間の脳内のニューロン一つ一つを画像化するのに役立つことを期待しています。これは神経科学者がまだ達成できていないことです。あるいは、他の技術と組み合わせて使用することで、神経科学のパズルの新たな一面を解明できるかもしれません。「私は最高の神経科学者だとか、最高のツールを持っているなどとは言いません」とターナーは言います。「これは単に、より深く理解したい別のツールなのです。」彼らは次に何が起こるかは分かりませんが、もしかしたらそれがより良い科学につながるかもしれません。
