Letter
材料学：量子系の散逸に対するナノスケールの熱画像化法
Nature 539, 7629 doi: 10.1038/nature19843
エネルギーの散逸は、物理系、化学系、生物系のダイナミクスを支配する基本過程である。これは、量子現象と古典現象を識別する主な特性の1つでもある。特に物性物理学では、散乱機構、量子情報の損失、トポロジカル保護の破綻は、どこで、どのように散逸が生じるかといった複雑な細部に深く根差している。しかし、エネルギー散逸はマイクロメートルスケールで容易に測定できる量ではないため、系の微視的挙動を散逸の観点から定式化することはこれまであまりなかった。ナノスケールの温度測定は最近大きな関心を集めているが、既存の熱画像化法では量子系の研究に十分な感度がなく、要求される低温での作動にも適していない。今回我々は、鋭いピペットの先端にある直径50 nm未満の超伝導量子干渉素子を用いたナノ温度計を報告する。これによって、1 μK Hz−1/2以下という従来のデバイスより4桁高い感度で、極低温の走査型温度検出を行うことができる。この非接触型で非侵襲性の温度測定を用いることで、極めて強度が低いナノスケールのエネルギー散逸に対する熱画像化が可能となった。ここでのエネルギー散逸量は、4.2 K、1 GHzにおける単一キュービットの連続的な読み出しにおいて40フェムトワットと、基本的なランダウアーの限界まで減少している。こうした進展によって、カーボンナノチューブにおける個々の量子ドットの単一電子帯電に起因する散逸の変化を観察することができた。さらにこうした進展によって、六方晶窒化ホウ素内に封入されたグラフェンの共鳴局在状態に起因する散逸機構が明らかになり、量子物質におけるナノスケール散逸過程の直接的な熱画像化が可能になる。
