その欠陥のあるダイヤモンドは量子物理学者の親友になる可能性があります

Elisabeth Rülke は、プリンストン大学の卒業論文研究のために量子センシングの改善に取り組んでいます

買い物客は完璧なダイヤモンドを好みますが、量子物理学者にとっては欠陥こそが最良の部分です。

エリザベート・リュルケ上級教授は、過去 1 年間、レーザーと欠陥ダイヤモンド (原子 1 個ほどの大きさの欠陥を持つ小さなダイヤモンドのウエハ) を使用して、量子センサーを開発してきました。

装置の中心にある透明なウエハーはダイヤモンドプレートで、一辺が2mm、厚さが0.3mmになるように精密に製造されており、リュルケ氏とその顧問であるナタリー・デ・レオン氏が緑とオレンジ色のレーザーを照射する原子サイズの欠陥がある。

まだ実用的というよりも理論的な段階にある量子コンピューターとは異なり、量子センサーはすでに使用されています。リュルケ氏と彼女のアドバイザーである量子物理学者ナタリー・デ・レオン氏は、これらの単一原子欠陥のうちの 2 つを同時に使用することに依存する量子センシングへの新しいアプローチに取り組んでいます。

「それらは非常に小さいため、これまで実現不可能だったスケールで物事をマッピングしたり感知したりできるようになるかもしれません」と、応用数学と計算数学の資格取得を目指している物理学集中者のリュルケ氏は語った。「それは化学、生物学、特に医療機器にとって革命的なものとなるでしょう。」

「エリザベスのような非常に聡明な学生と一緒に仕事ができるのは、いつも光栄なことです」と、物理学科の准教授で電気・コンピュータ工学の准教授であるデ・レオン氏は語った。「彼女は物事に対して新鮮な視点と異なる見方をもたらしてくれました。そしてそれが、他の方法では起こらなかったと思うよりもプロジェクトにもう少し創造性をもたらしてくれました。プリンストンに来て、本当に素晴らしい学生たちが私のドアをノックしてくれるのは幸運です。」」

リュルケさんはプリンストンに来る前から物理学と天文学を学びたいと思っていましたが、リベラルアーツを最大限に活用したいとも思っていました。「私は歴史、哲学、宗教、起業家精神、映画、芸術などのコースを受講してきましたが、それが私のプリンストンでの経験の基礎となったと信じています。プリンストンのリベラルアーツ教育の素晴らしい点は、以下のような授業を受講できることです。これは、英国のほとんどの大学の場合のように、専攻することを選択することだけが教育の焦点ではないことを意味しており、それが私が米国で学びたいと思った強い理由でもあります」とリュルケ氏は語った。ロンドンで生まれ育つ。

「高レベルの物理学や数学のコースと人文科学の科目の両方で使用される批判的かつ創造的な思考には重複があると思います」と彼女は付け加えた。

リュルケさんの1年目の3月にプリンストン大学が対面授業のためにキャンパスを閉鎖したとき、彼女はZoom授業を受けるためにロンドンに帰った。その夏、渡航制限が緩和されると、彼女はプリンストン大学のクラスメートとともにローマのアパートに引っ越した。「その秋に美術史の授業を受講しましたが、素晴らしかったです」とリュルケさんは語った。「ある課題で、『どこにいても』アートを見つけに行くようにというものがあったのを覚えています。クラスメートのほとんどは家にあるティーポットに注目していましたが、私はベルニーニの彫刻を選びました。」

キャンパスに戻った後、彼女は最初のジュニア論文を、宇宙の暗黒エネルギーの性質という本当に大きな問題に焦点を当てることに決めました。

「彼女は一般相対性理論のコースも宇宙論のコースも受けていませんでしたが、全くひるむことはありませんでした」とプリンストン大学のアルバート・アインシュタイン科学教授で彼女の指導を受けた物理学教授のポール・スタインハート氏は語った。その紙のアドバイザー。「彼女にとってそれは明らかに無理でしたが、彼女はとにかくエネルギーと熱意に満ちていました。生徒がストレッチをしたり学んだりする姿を見るのが本当に楽しいです。それが確かにエリザベートの特徴でした。彼女はその学期に足を骨折しましたが、それでも毎週の授業に来てくれました」熱意と歓声を持った会議、そして多くの素晴らしい研究の質問ができました。」

この論文で二人が協力した後、スタインハルトはリュルケの 2 番目のジュニア論文で 2 番目の読者を務め、その後彼女の卒業論文でもその役割を再び果たしました。「それが終わるまでに彼女の論文をすべて読んでいるでしょう」と彼は言った。

リュルケさんは、STEM (科学、技術、工学、数学)、特に物理学と天文学に没頭したいと考えてプリンストンに来ました。

「プリンストンの天体物理学と物理学科は本当に素晴らしいです」と彼女は言いました。「とても幸運だと感じています。入学後にプリンストンを訪れたとき、アインシュタインの古い教室を見に行き、キャンパスの近くにある彼の家まで歩いて行きました。」

研究室では、リュルケ氏が共焦点スキャンを実行して、ダイヤモンド格子内の NV 中心を特定します。

最初の独立研究プロジェクトで理論的宇宙論に取り組んだ後、彼女はもっと実践的なことに挑戦したいと考え、プラズマ推進に関する 2 番目のジュニア論文を執筆しました。「どちらも非常に興味深いものでした。1 つ目は非常に理論的で、2 つ目はほとんど実験的すぎました」と彼女は言いました。「私は実際に工具を持って推力タンクに登り、中のものをいじっていました。そこで、論文のために、真ん中に何かが欲しかったのです。」

彼女の幅広い視野は、生物物理学や生物医学の応用から物性物理学や新しいナビゲーションの設計に至るまで、幅広い問題に取り組むという目標を掲げて物理学、化学、工学の教授たちが結集した問題である量子センシングに取り組むリュルケにとって、彼女の広い視野を大いに役立っている。センサー。

「私の研究グループの一般的な精神は、問題をできるだけ国境なく見ようとすることです」とデ・レオン氏は語った。「問題に対する私たちのアプローチは、『これを解決するには何が必要ですか? 私たちは物理学、化学、材料工学のすべて、つまり人類のすべてのツールを持っています。だから、マクガイバーが私たちの方法で解決できるかどうか見てみましょう。解決策。' エリザベートは間違いなく水を得た魚のようにぴったりです。」

ダイヤモンドは、木炭や鉛筆の黒鉛と同様、純粋な炭素でできています。しかし、鉛筆 (および木炭) で書くことができます。これは、これらの炭素原子がシート状に組織されており、最小限の圧力で滑り落ち、跡が残るからです。

対照的に、ダイヤモンドの炭素原子は、多大な圧力で強制的に結合され、原子が密集して完全で複雑な網の目になっています。これにより、別のユニークな特性が可能になります。窒素原子が 2 つの炭素原子を押し込んで置き換えると、「窒素空孔中心」または「NV 中心」と呼ばれる小さな欠陥が作成されます。

NV センターは小さなコンパスの針のように動作し、磁場を測定できる量子センサーに使用されています。新型コロナウイルスのパンデミック中に自宅で隔離している間、デ・レオンさんは、ダイヤモンドチップ内で正確に分離された 2 つの NV センターがあった場合はどうなるだろうかと考え始めました。

2 つの窒素空孔を同時に測定するのは非常に難しいですが、一度測定できれば、新しい物理量、つまり空間と時間における磁場の相関を測定できることがわかりました。 2つのNVセンターを同時に測定することで、まったく新しいナノスケール測定の世界が可能になるとデ・レオン氏は述べた。

「これは根本的に新しいことです」と彼女は言った。「世界は私たちのカキです。私たちは、まったく新しい物理量を測定するこの新しい技術を使用できます。それでは、掃除をしましょう! 80 年代に人々がやろうとしていたことをすべて見てみましょう。そして、彼らがやらなかったから行き詰まっていたのです。」「適切なツールがありません。もしかしたら、私たちが学べる素晴らしい物理学があるかもしれません。そこでエリザベスの出番です。」

パンデミックのインスピレーションから 2 つの NV センターを同時に測定するまでの道のりには何年もかかりました。デ・レオン氏と彼女の研究室のポスドク、ジャレッド・ロブニー氏は、原子サイズの物体 2 つにレーザーを照射し、飛び出す光子を数えるツールを構築する方法を見つけるのに 18 か月とそれ以上の時間を費やして計算を行いました。彼らは最初にこの技術を 500 ナノメートルの解像度で実証しました。 (比較のために、この文の最後のピリオドは幅約 100 万ナノメートルです。) リュルケの卒業論文では、この分解能を 500 ナノメートルから 10 nm、あるいは場合によっては 1 ナノメートルまで改善することに焦点を当てています。

リュルケさんは、大学での授業と独立した研究プロジェクトが、不確実性を乗り越え、課題に正面から立ち向かう能力を育んだと信じています。

「3 時間の物理試験を覚えていますが、問題は 2 問だけでした。暗闇の中で歩き回ったり、どうやって行うか、どの方法から始めるべきかを考えたり、そのためのスキルを身に付けたりするのに非常に多くの時間を費やさなければなりません。そうすることで、本当に批判的に考えることができ、終わりが見えない問題や、解決方法がまったくわからない問題に真っ向から取り組む場合でも、恐れることのない人になれます。

「高校時代、私はそのような問題が大嫌いでした」と彼女は言う。「答えを導き出し、正しく理解することが好きでした。その成長はプリンストンで起こりました。」

彼女もデ・レオンも毎週の論文指導セッションを楽しんでいた。

「私には、自分が何をしたいかを正確に決めるのに十分な自主性がある」とリュルケ氏は語った。しかし、デ・レオンはまた、「私が正しい背景知識を持っていることを確認する」ために十分な支援も提供します。

「彼女はいつもとても晴れやかで、とても熱心に私のオフィスに来ます」とデ・レオンさんはリュルケについて語った。「彼女がどこからそのようなエネルギーを得ているのかわかりません。中間シーズンや出願シーズンの真ん中であっても、彼女はただ現れて、『よし、これが私がやったことだ。私のすべてのデータを見てください』という感じです。」「それについて話し合いましょう。これが私の計画です。これは本当に興味深いことだと思います。」

リュルケ氏と彼女の論文指導顧問である量子物理学者ナタリー・デ・レオン氏（右）は、2つの窒素空孔中心を同時に測定している。 De Leon と彼女の博士研究員 Jared Rovny は、最初にこの技術を 500 ナノメートルの分解能で実証しました。リュルケの卒業論文では、この分解能を 10 nm、あるいは場合によっては 1 ナノメートルまで改善することに焦点を当てています。

リュルケさんは、2022 年秋に両親にコテージクラブのツアーを案内します。

授業以外では、リュルケさんはマセイ大学の会員であり、ユニバーシティ・コテージ・クラブの多様性、公平性、包括性の委員長を務めています。彼女はケラーセンターやアントレプレナーシップクラブを通じて起業家精神に関わり、起業家、ベンチャーキャピタル会社、宇宙関連企業と会うためにシリコンバレータイガートラックでカリフォルニアに旅行しました。

彼女はマンフレッド・パイカ記念物理学賞を受賞しました。この賞は、授業で優れた成績を示し、独立した研究で有望な物理学の学部生に与えられます。女性に物理学を追求するよう奨励することを目的としたジョセリン・ベル・バーネル・フェローシップ。シュワルツマン奨学金は、北京の清華大学での 1 年間の修士課程の費用をカバーします。

リュルケさんは、イギリスでドイツ人の父親と中国人の母親の間に生まれたため、「地球市民になることに惹かれる」と感じているという。

「私の文化的アイデンティティは複雑です」と彼女は言いました。「私には世界のさまざまな場所に家族がいますが、混血であるということは、自分がどこにも完全に馴染めないと感じることがあります。ドイツや中国の家族を訪ねても、私は他の誰とも似たことはありませんでした。

「子供の頃は時々場違いに感じましたが、大人になるにつれて楽しめるようになりました」とリュルケさんは語った。「群衆の中に消えるよりも、目立つ方がずっと良いと思います。」

この精巧なミラー、レンズ、走査検流計の配列は、量子センシング用のこの自作の顕微鏡に光を送り、集めます。

リュルケ氏は、光の波長よりも近い単一原子サイズの欠陥にレーザーを照射する前に、安全ゴーグルを着用します。

リュルケさん（左）は、2009 年に家族とともにカイロを訪れました。

Elisabeth Rülke は、2023 年度卒業生で物理学を専攻し、応用数学と計算数学を副専攻しています。