コンピューティング

レーザーで非磁性物質を磁化すれば、現代のコンピュータが変革する可能性があります

公開日 2024年4月19日

更新日 2026年6月2日

著者

Gaurav Roy

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量子コンピューティングは膨大な可能性を秘めています。産業を根本的に変革し、宇宙の理解の仕方を変えることができるでしょう。量子力学の原理とコンピュータサイエンスを組み合わせることで、量子コンピューティングは膨大なデータを並列に処理し、複数の解を探索しながら、複雑な問題を容易に解くことが可能です。

このように、量子コンピュータは医薬品開発、気候モデリング、AI機能の強化、最適化問題の解決に貢献できます。また、既存の暗号方式を破り、破ることのできない量子暗号システムを構築することで、サイバーセキュリティにも大きな可能性があります。

これまでに、量子優位性、誤り訂正コード、クラウドベースの量子コンピュータなど、量子コンピューティングにおいて重要な進展が見られました。しかし、これらの進歩は主に実験室の極低温に限定されており、今後変わる可能性があります。

現在、北欧理論物理研究所（NORDITA）、5つの北欧諸国、ストックホルム大学、ベネチアのカ・フォスカリ大学の共同研究チームの研究者たちは、レーザー光を利用して室温での量子挙動を成功裏に実証しました。初めて、レーザー光が非磁性材料を磁性に変えることができました。

これは極めて重要です。磁性はコンピュータの動作において重要な役割を果たすからです。コンピュータのメモリは電圧で磁化された小規模な電磁石を使用し、“オン”または“オフ”という二進状態を実現します。原子や電子が磁場に反応する仕組みが、電子機器がデータを読み書きし、操作できるようにしています。

本研究では、非磁性材料を高周波レーザー放射にさらすことで、室温で磁性効果を生み出すことができることを示しました。

この新たなブレークスルーは、よりエネルギー効率が高く高速なコンピュータ、情報伝送、データ保存への道を切り開く可能性があります。特に、絶対零度（-273℃）付近で動作する量子技術を用いた機械において、エレクトロニクスの革命的な進歩が期待されます。

非磁性材料を磁性に変える

最新の研究では、研究者はストロンチウムチタン酸化物（SrTiO₃）を使用しました。これは化学的に非常に反応性の高いストロンチウム（Sr）と軽量のチタン（Ti）の酸化物です。人間が居住可能な温度でペロブスカイト構造を持ち、高い誘電率で知られています。

この材料は高周波レーザー光に照射され、原子が揺れ動き、移動しました。その結果、ストロンチウムチタン酸化物内部に電流が生成され、磁性を帯びました。

手法の新規性について、ストックホルム大学とカ・フォスカリ大学の物理学者である本研究の第一著者ステファノ・ボネッティは次のように述べました：

“光がこの材料中の原子と電子を円運動させ、冷蔵庫の磁石のように磁性を持つ電流を生成するという概念です。”

非磁性材料を磁性に変えることは新しいことではありません。以前から予測され、研究されてきました。

2015年に、Nature は、銅とマンガンという2つの一般的な非磁性金属が、金属の薄膜と炭素系有機分子を組み合わせることで磁石に変えることができるという研究を発表しました。結果は室温で得られましたが、磁性は弱く、数日で消失しました。

この実験は、リー大学の理論物理学者エドマンド・ストナーが1930年代に提唱した、元素が磁性を持つ仕組みを調査した理論に基づいています。

2020年、研究チームは非磁性酸化物を改変し磁性にすることに成功しました。各材料を層ごとに制御して成長させる方法です。同年、別の研究者チームは電気を用いて非磁性の黄鉄鉱（硫化鉄）の磁性をオンにしました。本研究で使用された技術は電解質ゲーティングでした。これは黄鉄鉱を電解質（イオン液体）と接触させ、1ボルトの電圧を加えることで正電荷分子を移動させ、測定可能な磁力を生み出すものです。この場合、電圧をオフにすると磁性も消失しました。

光を用いて材料の特性を変えることは、近年かなりの科学的関心を集めています。

実際、磁石や磁場は通常、循環電流によって生成されます。2019年、物理学者は線偏光光で非磁性金属ディスクを照射し、循環電流を生じさせ、ディスク内で磁性が自発的に現れました。原理的には、この方法は非鉄金属を磁石に変えることができる「オンデマンド」でレーザー光を使用します。

光を使って原子を回転させ電流を生成する

マクロスケールでの回転によって引き起こされる磁化はバーネット効果と呼ばれます。この効果では、材料全体が回転し、乱れた磁性材料の電子の固有角運動を整列させ、内部に純磁場を生成します。

新しい実験では、非磁性材料に対し円偏光レーザーパルスを用いて原子スケールの回転を実現しました。このパルスは材料中の原子を回転させ、集合的なキラルフォノン（レーザーの周波数と共鳴する円偏光振動）を生み出しました。

このために、遠赤外（FIR）領域で円偏光を持つ新しい光源が開発されました。円偏光は『ねじれ』形状を意味します。このような偏光を持つレーザー光が材料に入射すると、円偏光が原子に伝わり回転させて原子電流を生成します。光の周波数が原子の振動と一致すれば、効果が増幅され、結果としてかなり大きな磁性が生じます。

したがって、ボネッティ率いる国際チームが実施した実験では、量子材料であるストロンチウムチタン酸化物（SrTiO3）に、特異な波長と偏光を持つ強力だが短いレーザービームを照射し、磁性を誘導しました。800nm、ピコ秒長のパルスが100µmの遠赤外レーザーから放射されました。

特に、プローブパルスのケル回転が測定されました。チームは160〜360Kの様々な温度でも実験し、最高の応答は280K（7°C）で得られました。この時、パルスのテラヘルツ電場が材料の第一光学フォノンモードと共鳴していました。

In Natureに掲載された最新の研究で、第一著者のボネッティは、室温で材料が実際に磁性になる様子を誘導し、はっきりと観測できたのは初めてだと指摘しました。

このアプローチにより、チームは「磁石は通常金属で作られますが、多くの絶縁体から磁性材料を作ることができた」と付け加えました。

一方、レーザー技術で誘導された磁化の程度は、材料の磁性に応じて光の反射が変わる既知の効果を用いて測定されました。

実験では、測定により材料が磁性を帯びたことが示されました。しかし、既知の理論的手法で計算された誘導磁化の大きさは予想の約4桁（10,000倍）も大きくなっていました。この差は、物理学者が計算で過度に単純化したことに起因するとされました。

別の研究グループは、円偏光赤外レーザーパルスを用いて非磁性材料に一時的な磁性効果を誘導しました。

オランダのラドバウド大学と日本の日本大学の科学者は、従来の広帯域パルスではなく、FELIX自由電子レーザーからの極狭帯域パルスを使用し、共鳴する特定の格子振動をより的確に狙いました。さらに、生成された磁化を利用して磁性合金の磁化を切り替えました。

これらの研究者によれば、フォノン共鳴は磁性メディアへのデータ書き込みの新しく高速な手段として利用できると述べています。円偏光光の回転方向を変えることで、磁化の方向も変更できました。

レーザー光の利用拡大

レーザー光の利用は急速に拡大しています。今週、科学者たちが新たな発見をしました：集中したレーザービームが固体材料の磁気状態を変えることができ、超高速コンピューティングメモリに大きな可能性を示しています。

このために、科学者たちは光の磁場の周波数と振幅と磁性材料のエネルギー吸収特性との関係を示す新しい「基本」方程式を作成しました。エルサレムヘブライ大学の物理学教授アミール・カプアによれば：

“それにより、光学的磁気記録を完全に再考し、まだ存在しない高密度でエネルギー効率が高く、コスト効率の良い光学磁気記憶装置への道を切り開くことができます。”

この技術は将来的に、より高速で効率的なMRAMコンポーネントにつながると期待されています。

世界のレーザー技術市場規模は実際に予測されている通り、現在の200億ドルから、10年以内に295億ドルに成長するとされています。これらの数字は、レーザーがさまざまな産業で広範な可能性を持つことに起因しています。

レーザーは、放射の誘発放出によって光ビームを生成する光学装置です。この光は高強度、コヒーレンス、単色性、指向性といった独自の特性を持つため、医療、通信、科学、軍事などで広く利用されています。その結果、レーザー分野では多くの発明や実験が行われています。

最近では、ルーマニアの科学者たちが作成した世界最強のレーザー放射は、太陽が放つエネルギーの10分の1の出力で、地球上で受信可能です。ブカレスト近郊のセンターに設置され、フランス企業サレスが運用しており、出力は10ペタワット（10兆ワット）と報告されています。ピークは約25フェムト秒という極めて短い時間で、幅はわずか3マイクロメートルでした。

科学者たちは、このレーザーが医療から宇宙までのさまざまな分野で革命的な進歩をもたらすことを期待しています。この発明は核廃棄物の処理や宇宙デブリの除去にも応用可能です。

別の最近の研究で、RIKENの物理学者たちは非常に短いレーザー光パルスを実現した。そのピーク出力は6兆ワットで、これは6,000基の原子力発電所が生み出す出力に相当します。この成果は、電子の研究を可能にするアト秒レーザーの開発に役立ちます。

昨年、アンヌ・リュイリエ、ピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウスは、アト秒（10⁻¹⁸秒）光パルスに関する研究でノーベル物理学賞を受賞しました。

これらの超短パルスレーザーは、極めて高速なプロセスを照らし出し、科学者にそれらを捕捉・探査する強力な手段を提供します。