人工ダイヤモンド単結晶は極低温で軟化する：研究開発の最前線

北海道大学らは、人工ダイヤモンドが極低温で軟化する現象を確認した。ダイヤモンド内に欠陥由来の量子状態が存在することを示唆するもので、量子センサーなど次世代技術への応用が期待される。

[MONOist]

　北海道大学は2025年6月18日、人工ダイヤモンド単結晶が極低温で軟化する現象を確認したと発表した。京都大学、新潟大学、ドイツのドレスデン工科大学らとの国際共同研究による成果だ。

　研究グループは、3種類の方法で製造された人工ダイヤモンド単結晶について弾性定数を測定した。通常は中性子や電子線を照射し、意図的に格子欠陥を作って量子状態を調べるが、今回は欠陥の少ない未照射の人工ダイヤモンドを用いた。

ダイヤモンドの結晶構造とさまざまな原子空孔 出所：北海道大学

　具体的には、固体中の電子の電気四極子を観測する超音波位相比較法と極低温発生装置、強磁場発生装置を組み合わせて、ものの硬さの指標である弾性スティフネス定数を精密に測定した。その結果、1ケルビン（−272℃）以下の極低温で、温度の低下と共に弾性定数が1万分の1程度減少する（軟らかくなる）現象を、3種類全ての試料で確認できた。

ダイヤモンドの弾性定数C₄₄の温度変化［クリックで拡大］ 出所：北海道大学

　この結果は、未照射のダイヤモンド内にも欠陥由来の量子基底状態が存在することを示唆している。データを解析した結果、格子欠陥の濃度はppb（10億分の1）レベルであり、これが軟らかさの起源になっていると考えられる。

　人工ダイヤモンドは、量子コンピュータや高感度の量子センサー、次世代のパワー半導体デバイスの基板素材として注目されている。今後、さらに量子基底状態の解明が進むことで、量子情報デバイスのエラーを軽減する欠陥制御や評価技術の向上が期待される。

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