阪大など、ナノダイヤモンドの高圧選別に成功　高感度センサーへの応用に期待　

大阪大学、ダイセル、立命館大学は、欲しい波長で光るナノダイヤモンドだけを光の圧力（光圧）で選別することに初めて成功した（ニュースリリース）。

ダイヤモンドの色中心と呼ばれる構造が注目されている。これは透明なダイヤモンドに色を付けることで、光を吸収したり、発光したりする機能が生じるものである。この発光は、磁場や温度によって敏感に振る舞いが変わるため、センサーとしての応用が期待されているほか、量子通信や量子コンピューターなどの量子技術に使うことも可能。

さらに、ダイヤモンドのサイズを小さくし、ナノダイヤモンドとすることで、より高度な応用ができるようになる。このナノダイヤモンドを大量に合成する手法に、爆轟法がある。研究グループは、爆轟法で作製されたナノダイヤモンド（DND）の炭素原子をシリコンやゲルマニウムに入れ替えて色中心（SiV中心およびGeV中心）を作ることに成功し、その光に対する性質を明らかにした。しかし、色中心を含むナノダイヤモンド（SiV-DNDやGeV-DND）の割合は少なく、欲しいものだけを選別する手法の開発が求められていた。

従来の選別法は、大きさ、質量、電荷、表面の化学的性質の違いを利用する。ところが今回区別したい粒子同士は、ほとんどの性質が同じで、異なるのは光に対する応答、吸収や発光だけとなっている。この研究で研究グループは、光の性質そのものによって光圧が変わる原理を用いることで、目的の粒子を選択的に輸送できることを示した。まず、光を吸収する際に生じる光圧を用いて、SiV-DNDとGeV-DNDを水の中に混ぜたものからSiV-DNDだけの濃度を上げることに成功した。しかし、その効率は低く、日数単位の時間が必要となっていた。そこで、「誘導反跳力」と呼ぶ、新たな光圧を用いて、この難題を克服した。

２本の緑色レーザーでSiV-DNDを励起状態にし、さらに赤色のレーザーを右側から入れて誘導放出を生じさせる。誘導放出では入力光が増幅され、左側に進む出力光が強くなるため、SiV-DNDにはたらく光圧は赤色レーザーと逆方向に生じる。そうすることで、7時間で50％の濃縮に成功した。誘導反跳力によってナノ粒子の選別に成功したのは世界で初めてだという。

これは、粒子を材料や大きさの違いで分けるのではなく、役に立つ光を出せるかどうかという機能そのもので選別する、新しい発想に基づく方法である。どの色中心を選ぶかにとどまらず、発光の性能、すなわち発光スペクトルの幅が狭いか広いかで選別するなど、より優れたもののみの集団を得ることもできる。有用な粒子だけを高濃度に集められれば、量子情報技術や医療診断に有効な高感度センサーへの応用に向けて、これまでは十分には得られなかった超高性能をもつ発光材料につながると期待されるという。さらに、こういった優れた特性をもつナノ粒子の集団が示す新たな光学現象も期待され、基礎物理学においても興味深い展開が見込まれている。