ポイント
・人工ダイヤモンド単結晶を絶対零度付近（~0.02ケルビン）まで冷却し、弾性率を精密測定
・種類の異なる三種類のダイヤモンド全てが、 1 K以下の極低温領域で軟かくなる現象を発見
・軟らかさの起源はppb (10億分の1)の濃度で存在する未解明の格子欠陥であることを示唆

図1 ダイヤモンドの結晶構造と様々な原子空孔

【概要】
北海道大学大学院理学研究院の柳澤達也教授を中心とし、ドレスデン強磁場研究所・ドレスデン工科大学（ドイツ）、京都大学、新潟大学が協働した国際研究チームは、人工ダイヤモンドが極低温で軟らかくなる新現象を発見しました。この結果は、ダイヤモンド内に未知の量子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といった次世代技術への応用が期待されます。

ダイヤモンドはその美しさだけでなく、硬度や熱伝導率の高さなどの物理的性質から多方面で応用されています。中でも欠陥や不純物の少ない人工ダイヤモンドは、宝飾用用途や機械分野への応用だけでなく、量子情報分野のデバイス基板として期待されており、特にダイヤモンド中の原子空孔（原子の抜けた穴）と窒素からなるNV中心と呼ばれる格子欠陥は、常温動作が可能な量子情報処理や高精度の磁気センシングへの応用が期待されています。一方、それらのダイヤモンド中の量子状態の研究は、主に中性子や電子線を照射し意図的に欠陥を作ったダイヤモンドに対して電子スピン共鳴や光学実験の手法が用いられてきました。そのため、欠陥の少ない非照射ダイヤモンドが極低温で示す「弾性」つまり固体の硬さや柔らかさに関しては、これまで詳しく調べられていませんでした。

研究チームは、育成方法の異なる3種類の未照射人工ダイヤモンドを用い、超音波を用いて弾性定数（モノの硬さの指標）を精密に測定しました。その結果、1ケルビン（摂氏マイナス272度）以下の極低温において、温度低下と共に全ての試料で弾性定数が1万分の1程度減少する振る舞いを世界で初めて確認しました。この結果は、ダイヤモンド内に「電気四極子自由度（T₂対称性）」を持つ量子基底状態が存在することを示しています。しかしながら、これまで知られている窒素(N)やホウ素(B)関連の原子空孔を伴う欠陥の量子状態からはこの現象を説明できないため、その起源となる具体的な欠陥の種類は未だ特定に至っていません。今後の系統的な研究により、この未解明の量子状態の理解が進めば、人工ダイヤモンド単結晶を用いた量子情報デバイスのエラー軽減に向けた足掛かりとなり、将来的には、量子コンピュータや、量子センサ等の性能向上に寄与することが期待されます。

なお、本研究成果は、日本物理学会欧文誌Journal of Physical Society of Japan (Letters) 誌（オンライン版）に日本時間2025年6月11日（水）にオープンアクセスで掲載されました。

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Points

>> The elastic modulus of synthetic diamond single crystals was precisely measured at ultra-low temperatures approaching absolute zero (~0.02 Kelvin).
>> All three types of diamonds—each differing in origin—exhibited a softening behavior below 1 Kelvin.
>> The origin of this anomalous softness is suggested to be previously unidentified lattice defects present at concentrations as low as parts per billion (ppb).

Fig. 1 Crystal Structure of Diamond and Various Atomic Vacancies
Abstract
A research team led by Prof. Tatsuya Yanagisawa from Hokkaido University, together with scientists from Dresden High Magnetic Field Laboratory, HZDR and TU Dresden, as well as Niigata and Kyoto Universities, has made a surprising discovery: synthetic diamond becomes softer when cooled to extremely low temperatures, close to absolute zero. This unexpected behavior hints at the presence of a new kind of quantum state inside the diamond—something that could play an important role in future technologies like quantum computers and ultra-sensitive sensors.

Diamonds aren’t just beautiful—they’re also known for being incredibly hard and excellent at conducting heat. Because of these features, they’re used in many advanced technologies. Synthetic diamonds, which are made in a lab and contain very few defects or impurities, are especially promising materials. They’re already being studied for their potential in high-tech fields like quantum information. In particular, a special kind of defect in diamonds, called an NV center, is attracting attention for its ability to work as a tiny, super-sensitive sensor or quantum bit (qubit), even at room temperature.

Until now, most research has focused on diamonds that were deliberately irradiated by particle beams to create these defects. But what happens in pure, non-irradiated diamonds at extremely low temperatures was still a mystery—especially when it comes to their elasticity, or how soft or hard they are. In this study, the team examined three types of lab-grown diamonds using high-precision ultrasound wave techniques. They found, for the first time, that all three types became slightly softer—by about 0.01%—when cooled below 1 Kelvin (that’s about minus 272 degrees Celsius). This softening seems to be linked to a hidden quantum state in the diamond, one that behaves like a kind of tiny electric field shape (called an electric quadrupole).

Interestingly, this phenomenon can’t be explained by any known defects like nitrogen or boron, meaning the exact cause is still unknown. If future research can reveal more about this mysterious behavior, it could help scientists create better quantum devices with fewer errors—and might even lead to big improvements in the performance of quantum computers and sensors in the years to come.

This research was published as an open-access article in the online edition of the Journal of the Physical Society of Japan (Letters) on 10th, June 2025.

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物理学II（水曜２講目:担当　柳澤）を受講している学生諸君へ
上記リンクから講義資料をPDFでダウンロードできます。

現代物理学（月曜５講目:「超音波の世界」担当　柳澤）を受講した学生諸君
次のリンクから講義資料をPDFでダウンロードできます。（講義中にお知らせしたパスワードで暗号化されています。）

令和5(2023)年度学術変革領域研究（A) アシンメトリが彩る量子物質の可視化・設計・創出 （アシンメトリ量子） A02：精密物性測定によるアシンメトリ量子物質の新機能開拓（柳澤達也） 課題番号：23H04868 の助成を受けています。

平成25～27年度 日本学術振興会 頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣事業 「 核物質を含む化合物の強相関電子物性研究のための日米欧ネットワークの構築 」北海道大学 (R2501)

「これからの予定」
Sep. 16-19, 2025 日本物理学会第80回年次大会　(於　広島大学)
Aug. 7-13, 2025　　International Conference on Low Temperature Physics (LT30)) 於　Bilbao, Spain
July 6-11, 2025　　 International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2025 (SCES 2025) 於　 Montréal, Canada.

「これまでの研究・アウトリーチ活動」
June 10, 2025　　日本物理学会誌（J. Phys. Soc. Jpn. (LETTERS)）に人工ダイヤモンドのソフト化に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら
Feb. 26, 2025　　日本物理学会誌(Journal of Physical Society of Japan)にCeCoSiの異方的磁場温度相図に関する論文が掲載されました。

Sep. 16-19, 2024 日本物理学会第79回年次大会　(於　北海道大学)
Jun. 30- Jul. 5, 2024 ICM2024 (於 Bologna)
Jul. 4, 2024　　D3の日比野瑠央さんが、イタリア・ボローニャで開催された磁性国際会議(ICM2024)においてBest Poster Awardを受賞しました. おめでとうございます！ [ LINK]

May. 29-31, 2024 アシンメトリ量子　領域全体会議 (於　東広島芸術文化ホール)
Mar. 27, 2024 国立台灣師範大学　理学部物理学科セミナー　にて講演　（Hokkaido Univ. Summer Instituteの紹介）　（於　台北市, 台灣）
Mar. 18-21, 2024 日本物理学会 2024年春季大会　(オンライン)
Mar.12-22, 2024　パルス強磁場実験　（於　東京大学物性研究所）

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	June 10th 2025 日本物理学会誌（J. Phys. Soc. Jpn. (LETTERS)）に 人工ダイヤモンドのソフト化に関する論文が掲載されました。 詳しくはこちら。 プレスリリース　北大、北大理 プレスリリース　新潟大学
	Apr. 12th 2021 米国物理学会誌（Physical Review Letters）に、UNi4Bの電気四極子応答に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら。 プレスリリース　北大 / 北大理 / 東北大金研 海外のサイト　　EMFL / MGML 報道　　科学新聞 2021年5月21日第四面記事 / Optronics Online
	Aug. 6th 2019 米国物理学会誌（Physical Review Letters）に、(Y, Pr)Ir2Zn20の単サイト四極子近藤効果の超音波測定に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら。 プレスリリース　北大 プレスリリース　広大 プレスリリース　北大理
	Aug. 24th 2016 米国物理学会誌（Physical Review B）に、SmOs4Sb12の静水圧力下高周波超音波測定に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら。
	Mar. 18th 2016 日本物理学会誌（Journal of Physical Society of Japan）にSmOs4Sb12のパルス強磁場下弾性応答に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら。
	Nov. 26th 2013 米国物理学会誌（Physical Review B）にURu2Si2のパルス強磁場下弾性応答に関する論文が掲載されました。詳しくはこちら。

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Researchers from Japan and the Czech Republic, together with scientists from the HLD, have succeeded in identifying that electric quadrupoles play an important role in the magnetic order of the honeycomb-layer compound UNi4B. The scientists showed that these quadrupoles maintain their degrees of freedom without ordering at the center of a magnetic vortex arrangement (left panel in the figure).

In this study, the cooperation partners combined ultrasound technique, which can sensitively detect orbital degrees of freedom, with the advanced high-magnetic-field generation equipment at the HLD and the High Field Laboratory for Superconducting Materials at Tohoku University. The researchers performed precise measure- ments of the electric quadrupoles derived from the orbital degrees of freedom in the vortex magnetic state of UNi4B. They observed strong correlations between the magnetic vortices and electric quadrupoles.

The elastic constants show large variations in magnetic-field regions where the vortex magnetic structure changes. This indicates that the quadrupole response evolves rapidly in magnetic field (right panels in the figure). Here, phase II represents a magnetic-toroidal dipolar order showing a vortex magnetic structure. The response of the quadrupoles depends strongly on the in-plane direction of the applied magnetic field. For H || [01-10], a phase V, which does not exist for H || [2-1-10], appears at high magnetic fields and low temperatures.

Further, the contour plot shows a significant difference in the elastic constant C66 for the two field directions, although there is no difference in the magnetization. From the blue and red contrasts in the ordered pha- ses, we can conclude that the electric quadrupoles play an important role in the vortex-like magnetic structure of this system, modifying the spin-reorientation process as well.

Figure: (Left panel) Crystal structure, magnetic vortices, and electric quadrupoles in UNi₄B. Magnetic field-temperature phase diagram of UNi₄B: (middle panel) the magnetic field is applied along the b-axis, (right panel) the magnetic field direction is along the c-axis. The color code indicates the changes of the C₆₆ elastic constant.


These findings advance our understanding of the fundamental phe- nomena related to the interaction between quadrupolar degrees of freedom and magnetic vortices. This might provide a cornerstone for the realization of completely new quantum-information devices that control electronic degrees of freedom in solids in future applications.


For more information please see our paper: T. Yanagisawa, H. Matsumori, H. Saito, H. Hidaka, H. Amitsuka, S. Nakamura, S. Awaji, D. I. Gorbunov, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, K. Uhlířová, M. Vališka, and V. Sechovský, Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 157201.

(also available on arXiv:2103.02391 [cond-mat.str-el])