【核スピン量子制御】
　量子情報処理においては、量子ビット間で情報をやり取りするための相互作用制御が不可欠である。固体中の核スピンは極めて長いコヒーレンス時間を有するため有望な量子メモリー候補と考えられているが、その高い孤立性ゆえに、相互作用を必要なときにのみ生成・制御する手法はこれまで確立されていなかった。本研究では、半導体中に光照射によって生成される電子に着目し、光照射下での二重共鳴NMR測定を実施した。その結果、光照射時にのみ現れる核スピン間相互作用を発見し、その強さおよび作用範囲が光強度に依存して変化することを明らかにした。さらに、この相互作用が光励起電子によって媒介されることを明らかにするとともに、光の波長や強度の調整によって相互作用の大きさを任意に制御できることを実証した。この技術は、光によってスピン系の相互作用を自在に設計する「ハミルトニアンエンジニアリング」の一例として位置づけられる。電子スピン系と核スピン系を光で橋渡しするこの制御法は、半導体スピントロニクスや量子物性研究の観点からも新たな知見をもたらすと考えられる。

【光照射NMR技術の開発と応用】
　本研究を支える基盤技術として、光照射下で高感度なNMR測定を実現する独自の光照射NMRシステムを開発した。偏波保持光ファイバーを用いて励起光を超伝導磁石内の試料位置まで導光するとともに、極低温から室温まで測定可能な低温プローブを開発することで、安定した光照射NMR測定を実現している。本システムにより、光ポンピングによる核スピン超偏極を利用した微弱信号の高感度検出、多重共鳴NMR測定による相互作用の直接観測、半導体ヘテロ界面の選択的観測に加え、光励起状態や光誘起相転移過程の時間分解観測も可能となった。近年はこの技術を光機能材料にも展開し、光誘起相転移や光応答現象を原子レベル・リアルタイムで捉える分析手法として発展させている。光応答現象を原子核の視点から直接観測できる手法は限られており、本技術は量子技術からエネルギー材料研究まで横断的に貢献しうる基盤技術と位置付けられる。

【参考文献】
[1] A. Goto et al., Nature Communications 2, 378 (2011).
[2] A. Goto et al., npj Quantum Information 8, 59 (2022).
[3] A. Goto et al., Review of Scientific Instruments 77, 093904 (2006).
[4] A. Goto et al., Japanese Journal of Applied Physics 50, 126701 (2011).