量子的会話がカーボンナノチューブと内部炭素鎖の間にあると判明 (3/3)

振動だけで情報通信？ カービンが拓くポスト電子デバイス

この量子的振動結合の謎を解き明かすため、研究チームは実験と並行して最先端の理論計算にも取り組みました。

通常のシミュレーション（調和近似にもとづく第一原理計算）では今回のような振動の混じり合いは再現できないため、新たな理論モデルを構築する必要がありました。

鍵となったのは機械学習（マシンラーニング）の技術です。

研究チームは近年発展した「機械学習ポテンシャル」という手法を用い、原子の振動エネルギー面を高精度に再現するモデルを作りました。

具体的には、大量の計算データから機械学習を組み込んだ SSCHA（確率的自己無撞着調和近似）で振動を再現しています。

この機械学習モデルの導入により、カービンとナノチューブ間の非調和（アンハーモニック）な振動相互作用まで考慮した理論計算が可能となりました。

その結果、実験で観測された振動スペクトルの新たな特徴が、本来の「決まったリズム」から少し外れた振動どうしがぶつかり合い、その余波として小さな“こだま”のような新しい揺れが生まれていることがわかりました。

簡単に言えば、ナノチューブとカービン鎖それぞれの振動モードが強く干渉し合い、互いの振動を引きずり合うことで新たな振動ピークが生まれるというメカニズムです。

これは二つの楽器の音が響き合ってハーモニー（倍音）を生み出すようなものであり、従来説明不能だったスペクトルの謎を見事に解消しました。

この解明により、カービンという素材の実用への展望も開けてきました。

カービン鎖は極めて細く繊細なため、わずかな環境の変化にも振動状態が反応します。

言い換えれば外部の影響に対する感度が非常に高いのです。

今回示されたように、その微小な変化が振動スペクトル（光で読み取れる信号）に表れるため、カービンはナノスケールの光学センサーとして利用できる可能性があります。

研究グループを率いるトーマス・ピヒラー教授（ウィーン大学）は「カービンの高い感度は、将来の材料やデバイスにおいてナノスケールの非接触型光学センサー――例えば熱輸送を測定するための局所温度センサー――としての応用において極めて重要になります」とコメントしています。

電子に頼らず振動だけで情報を伝達できるカービンは、例えば温度や力のわずかな変化を光学的に検出する新種のセンサーとして、量子技術や材料計測の分野で活躍するかもしれません。

今回の研究は、ナノ物質の世界で起きていた不可解な振動現象の謎に終止符を打つとともに、一次元物質カービンの新たな側面と可能性を示した点で画期的です。

カーボンナノチューブという「入れ物」と内部のカービン鎖が織りなす量子的な振動のやりとりは、「ハイブリッド構造におけるフォノン相互作用」の極端な実例として、今後ほかの物質系にも普遍的に応用できる知見となるでしょう。

今後、さらなる理論研究や実験を通じて、カービンが持つ量子振動の制御性や感度を活かしたデバイス開発が進めば、私たちがまだ見ぬ新しいナノテクノロジーの扉が開かれるかもしれません。