最も硬い物質「ダイヤモンド」が極低温で軟らかくなる~鍵を握るのは電子!〜

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2025-06-18 北海道大学,新潟大学

北海道大学などの国際研究チームは、未照射の人工ダイヤモンド単結晶を絶対零度近くまで冷却し、1K以下の極低温で弾性定数がわずかに低下する「弾性ソフト化」現象を発見しました。これは全3種の試料に共通して現れ、ppbレベルの未解明な格子欠陥が関与している可能性が示唆されました。ダイヤモンド内に電気四極子自由度を持つ量子基底状態が存在することを示唆しており、量子センサや量子計算への応用が期待されます。

最も硬い物質「ダイヤモンド」が極低温で軟らかくなる~鍵を握るのは電子!〜
ダイヤモンドの結晶構造と様々な原子空孔

<関連情報>

人工ダイヤモンドの弾性ソフト化 Elastic Softening in Synthetic Diamonds

Tatsuya Yanagisawa, Ruo Hibino, Hiroyuki Hidaka, Hiroshi Amitsuka, Toshiyuki Tashima, Mitsuhiro Akatsu,  …
Journal of Physical Society of Japan  Published: June 11, 2025
DOI:https://doi.org/10.7566/JPSJ.94.073602

Abstract

This study reveals a previously unreported phenomenon: elastic softening in synthetic diamonds at temperatures below 1 K. We present ultrasonic measurements on single-crystalline, non-irradiated synthetic diamonds — specifically, type-IIa (colorless) and type-Ib (yellow) samples grown by high-pressure high-temperature (HPHT) synthesis, as well as type-IIa diamonds grown by chemical vapor deposition (CVD). A pronounced, divergent decrease in the elastic stiffness constant C44 was observed in all samples down to 20 mK. We attribute this softening to electric quadrupolar degrees of freedom with an irreducible representation T2 in the diamonds. However, the microscopic origin of this effect remains unclear. Drawing an analogy to behavior observed in silicon, we suggest the presence of an as-yet-unidentified, defect-derived quantum ground state with T1 or T2 symmetry, present at ppb-level concentrations in all three diamonds studied.

1701物理及び化学
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