2000年代半ば、物理学においてダイヤモンドが新たに注目を集めたことがあった。その理由は、宝石としての大きさや色、輝きではない。これらのダイヤモンドは必ずしも美しいものではなかった。研究者たちが数ミリメートル四方の平らな正方形にカットし、ガラスの薄い破片のようなものにして、レーザー光を透過させるためのものだからだ。

このような研究目的で使われるダイヤモンドとして最も価値のあったのは、ウラル山脈で採掘された小粒のダイヤモンドだった。「わたしたちはそれを『ロシアの魔法のサンプル』と呼んでいました」と、ワシントン大学で物理学を教えるカイ＝メイ・フー准教授は語る。

このダイヤモンドは極めて純粋だが（ほとんどすべてが炭素というのは、物が混在するこの世界では珍しいことだ）、わずかに含まれる不純物によって不思議な量子力学的特性をもつようになったものだ。「複数の研究者グループがそれを小さく切り刻んで分け合っていました」というフー准教授自身も、そのひとつを使って研究したという。

「ノミを使って削り取るのです。それほど多くは必要ありません」。その特性は有望なものだったが、研究に使えるダイヤモンドは数が限られていたので、それほど多くの実験をすることはできなかった。

「量子グレード」の合成ダイヤモンドの誕生

だが、その問題が解消された。いまやフー准教授は実験のために、インターネットを通じて500ドルの「量子グレード（quantum grade）のダイヤモンド」を買えるようになったのだ。

販売しているのは、ダイヤモンドの採鉱や加工、販売を扱うデビアスグループ傘下にあるエレメントシックス（Element Six）という会社である。同社は、ドリルや機械加工に使われる合成ダイヤモンドの製造を長い間行ってきたが、2007年に欧州連合（EU）から資金援助を受け、物理学者たちのニーズにぴったり合わせたダイヤモンドの製造に着手した。いまでは「量子グレード」の合成ダイヤモンドが豊富に供給されるようになり、物理学だけでなくさまざまな分野で、その利用可能性が探求されている。

PHOTOGRAPH COURTESY OF ELEMENT SIX

最初に恩恵を受けたのは量子コンピューティングだった。理論的には特定作業の計算が普通のコンピューターと比べて飛躍的に速い速度で可能になるとされる量子コンピューターは、「スピン」や「偏光」などの量子力学的特性を利用して情報を符号化する。

これらの特性は非常に不安定になりがちだが、レーザーで不純物を操作するでダイヤモンド内部に情報を符号化すると、ダイヤモンドの結晶構造によって情報が保護され、保存されるのだ。物理学者たちが現在取り組んでいるのは、制御可能な方法で相互作用する隣接不純物をつくり、初歩的なアルゴリズムを実行することである。

2,700℃を超える炉でつくられる

エレメントシックスでは、このような「完全に不完全な」ダイヤモンドを、2,700℃を超える炉の中でつくりあげている。まず、元になるシードダイヤモンドを入れた炉の中に技術者がガスを送り込む。このガスには、メタンのような炭素を含むガスのほか、水素と窒素も含まれている。

ガスの分子は高温になると単体の原子に分離し、その一部がシードダイヤモンドに付着する。必要な不純物になる数個の窒素原子がそこに入り込むと、炭素の層は水素との反応により、望みどおりの結晶構造になるまで成長を続ける。

エレメントシックスの科学者であるマシュー・マーカムは、「炭素は本当はダイヤモンドになりたくないんです」と語る。「炭素が本当になりたいのはグラファイト（石墨）です」

ハーヴァード大学で物理学を専攻する大学院生のジェニー・シュロスは、エレメントシックスのダイヤモンドをベースにレーザーを使ってプログラミングし、近くにある磁界がどのくらい干渉するのかを測定している。ただし、それを可能にするには、その前にダイヤモンドをさらに操作しなければならない。

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。一方で、シュロスのグループが必要とするのは、窒素空孔（nitrogen vacancy）と呼ばれる穴が窒素に隣接しているダイヤモンドだ。

このため、グループは購入したダイヤモンドをプリズムジェムというニュージャージー州にある小さな会社に送っている。同社の取引先の多くは宝石会社で、高エネルギーの電子線で炭素原子をたたき出すことによってカラーダイヤモンドをつくるよう依頼してくる。物理学者たちはそれと同じ方法で、もっと役に立つ空孔を、自分たちの研究用ダイヤモンドにあけてもらうことができる。

プリズムジェムでは、ダイヤモンドに電子線を数時間照射し（ときには数日かかることもある）、依頼された数の空孔をあける。同社のアシット・ガンディー最高技術責任者（CTO）は、「科学者には自分たちが求めている技術仕様がわかっているので、いくつの電子が必要かについての情報を送ってくれます」と説明する。

「宝石のほうはもっと主観的です。薄緑色にしてほしいとか、濃い緑色やピンクといったような」。なお、シュロスが依頼したダイヤモンドは電子線を浴びることにより、窒素不純物によって黄色味がかっていた元の色が薄い青色に変わる。

シュロスのグループは、このダイヤモンドを再び高温にする。これによって、空孔が窒素不純物の隣に移動し、念願の窒素空孔中心（Nitrogen-Vacancy Center）が形成される。最終的な色は、透明からピンクや赤など希望した不純物の数に応じて異なる。

量子ダイヤモンドという新たな研究ツール

「量子ダイヤモンド」のサプライチェーンができたことで、物理学者たちはこうしたダイヤモンドを使った研究や操作について実験を何度も繰り返せるようになった。ただし、ダイヤモンドの不純物を計算処理のできるビットの接続に変えるまでの工程は、簡単なものとは言えない。「最終的な判定はまだ下されていません。これまでに（量子ダイヤモンド内で）接続できた量子ビットは2個だけです。もっとスケーラブル（規模拡大が可能）になるまで、これは確実だと言える人はいないと思います」とフー准教授は述べる。

一方で、量子ダイヤモンドをより詳しく研究することによって、意図せずして別の利用可能性が生まれている。ハーヴァード大学のミハイル・ルーキン教授と、シュロスの研究アドヴァイザーであるロナルド・ウォルズワースらは既存の研究から、窒素空孔をもつダイヤモンドはレーザーが当たったときに、磁石の近くにある場合とは異なる量の光を放出することを知っていた。つまり、ダイヤモンドが一種の磁気センサーとして機能する可能性があるということだ。

現在、脳磁場などの微弱な磁場を測定する磁気センサーは非常に大型であるうえ、絶対零度まで温度を下げる必要がある。これに対してダイヤモンドは、もっと使いやすいセンサーとして使える可能性がある。

そこで、ルーキン教授とウォルズワースの研究チームは2010年代の初頭、刺激を与えると磁界を生じる神経細胞の研究に、ダイヤモンド磁気センサーを使い始めた。最初に使ったのは、人間の髪の毛よりも太いイカの神経細胞だった（大学院生のマシュー・ターナーがマサチューセッツ州にあるウッズホール海洋生物学研究所まで出かけて、新鮮なイカから白くて細長い神経を切除して氷の上に置き、すぐさまバスで研究室に戻って電気刺激を与えて磁界を測定したのだ）。

研究チームはその後、研究室の水槽で飼うことができる海の線虫類の神経を研究することにした。約1年後、チームはこれらの神経の研究に使う際のダイヤモンド磁気センサーの感度に関する論文を発表した。現在はダイヤモンド磁気センサーを使って、人間の心臓細胞から出る磁界を研究しているところだ。

研究チームはさらに、エレメントシックスとの直接提携も行っている。助成金の見返りとして、エレメントシックスがダイヤモンドを送ってくるのだ。最近では、クッキーぐらいの大きさの円盤に4個のダイヤモンドが埋め込まれたものが送られてきた。強力なレーザーが当たっても1個のダイヤモンドの温度が上がりすぎないようにするためだ。「なぜ4個のダイヤモンドなのかはわかりません。まだうまい使い方は見つかっていません」とシュロスは話している。

エレメントシックスは、量子グレードダイヤモンドの最大の供給業者だ。「現時点で独占とまではいかなくても、独占に近い状態です。特に入手先としてはそうでしょう」とフー准教授は述べる。シュロスとターナーの研究室では、品質が劣るダイヤモンドを予備実験用にeBayで購入したことがあるが、よい結果は出なかったという。

医療への応用も可能か

一方、物理学者たちは実験を行うだけでなく、この新しい技術を別の方向に前進させる取り組みにも乗り出した。ハーヴァード大学の研究チームは、クアンタム・ダイヤモンド・テクノロジーズという小さな会社を立ち上げ、ダイヤモンド磁気センサーを利用した医療診断用画像処理装置の開発を進めている（ルーキン教授とウォルズワースも同社のメンバーになっている）。

最終的に期待されているのは、ダイヤモンド磁気センサーを活用すれば、神経科学者たちがまだ実現できていない、人間の脳の内部をニューロンごとに画像化できるかもしれないということだ。あるいは、ほかの技術と組み合わせることにより、神経科学の新しい領域に光が当たるかもしれない。

「自分が最高の神経科学者であるとか、最高のツールをもっているとか言うつもりはありません」とターナーは述べる。「これは、わたしがさらに理解したいと思うツールのひとつにすぎません」

次に何が来るかはわからない。だが、それはよりよい科学を生み出すものになりそうだ。