ハーバード大学の惑星科学者であるロジャー・フーの磁気シールドされた研究室のテーブルの上に、地質学的過去についての深遠な物語を語るささやかな仕掛けが置かれています。量子ダイヤモンド顕微鏡 (QDM) は、カメラに巻き付けられたいくつかの電磁コイル、小さなレーザー、およびバラ色のサンプル スライドのようなもので構成されています。ただし、スライドはガラスではありません。それは、小さな磁場に敏感な欠陥がドープされたダイヤモンドです。このダイヤモンド センサーを使用して、顕微鏡は、人間の髪の毛の幅よりも小さい縮尺で岩粒に刻印されたフィールドをマッピングすることができ、地質学者は粗い技術が見落としている歴史を引き出すことができます.
Fu の研究室では、顕微鏡を使用して隕石を調べ、太陽系の最初期についての手がかりを探しています。何千年も前の鍾乳石からの降雨の記録。そして、今週のScience Advancesで詳述されているように 、古代の溶岩で地球の構造プレートの最も初期の動きのいくつかを検出します。 「これは地球科学におけるまったく新しい原理です」と Fu は言います。そして、それは追いついています。国立科学財団は、フーのチームがカリフォルニア大学バークレー校とミネソタ大学で顕微鏡を構築するために資金を提供し、NASA はマサチューセッツ工科大学 (MIT) で 3 分の 1 の資金を提供しました。彼はオランダの研究所用に別のものを作っています。 「ロジャーは、QDM の偉大なジョニー アップルシードでした」と、メリーランド大学カレッジパーク校の物理学者で、約 15 年前にダイヤモンド技術を開拓したロナルド ウォルズワースは言います。
顕微鏡は、窒素原子が結晶格子から2つの炭素をノックアウトするときに作成されるダイヤモンドの微小な欠陥に依存しています。不純物は自然界に存在しますが、製造することもできます。その結果、窒素の隣にボイドができ、量子状態が敏感な電子をトラップします。レーザー光、マイクロ波、磁場はすべて、エネルギーレベルとスピン状態を操作できます。ダイヤモンド欠陥は、量子コンピューターの論理要素であるキュービットをホストするための有望な技術です。しかし、基本的な物理学の実験では、それらのヘアトリガー磁気感度は厄介になる可能性があるとWalsworth氏は言います. 「それから、『それが非常に機密性の高いものである場合、それはバグではなく機能ではないでしょうか?』と考え始めました。」Walsworth は最終的に、この機能の悪用に熱心だった Fu とつながりました。
西オーストラリア州のジャック ヒルズで産出された 40 億年以上前のジルコン結晶の分析により、初期のテストが提供されました。超伝導センサーを使用した従来の古地磁気測定では、ジルコンに微弱な磁場が保存されていることが発見されました。しかし、超伝導センサーが測定できるのは、ちりのかけらと同じくらい小さいジルコン全体の平均場だけです。ジャック ヒルの標本をより細かいスケールで精査するために、Fu はそれらをダイヤモンド スライド上に置き、緑色のレーザーでスライドを照らしました。電磁コイルによってプライミングされた窒素空孔中心は、サンプルの磁気に依存する明るさで赤色光を放出することによって反応しました.
QDMのより細かい空間分解能は、フィールドが結晶の内部からではなく、おそらく歴史のずっと後に形成された鉄の縁から来たことを示しました.フィールドは「ジルコンを持って生まれたわけではありません」と Fu は言い、40 億年前のフィールドの主張についての議論を煽っています.
現在、Fu と彼の同僚は、この技術を西オーストラリア州の他の岩石、つまり 32 億年前のハニーイーター玄武岩に適用しました。全体的な感度で QDM を上回る従来の超伝導センサーを使用して、235 の岩石サンプルで捕捉された磁場の強さと方向を測定しました。しかし、彼らはそれらの磁場が原始的なものであったことを確認できませんでした.ハニーイーター玄武岩は、その生涯にわたって深く変化し、海底に埋もれていた.その磁場が先住民か移民かを推測するのは、QDM 次第でした。
装置が作成した詳細な磁気マップは、フィールドが鉱物粒子からではなく、溶岩が海底の割れ目からにじみ出た可能性が高いほぼ直後に水中で形成されたそれらの周りのハローから来たことを示した、と筆頭著者のアレック・ブレナーは言う。 科学の進歩 研究とフーの大学院生。 「技術的には、岩が形成されていないことを意味します」と彼は言います。しかし、実用的な目的では、ハローは同じくらい古いものでした。チームは、フィールドが 32 億年前のものであると自信を持って言うことができました。
地球の磁力線は、赤道から極に向かって増加する角度で地面に突入します。したがって、ハニーイーターのサンプルに保存されている磁場の方向は、玄武岩が形成された緯度を示しています。過去 10 年間、地質学者の別のチームが近くの 33 億 5000 万年前の岩石の古代の磁気を分析し、異なる「古緯度」で形成されたことを示しました。緯度の違いから、Fu のグループは、地球の地殻がこの 1 億 5000 万年の間、最低でも年間約 2 cm 移動したと計算しました。 「これは、現代のプレート運動にほぼ匹敵します」とブレナーは言います。
イェール大学の地球物理学者である是永純氏は、この結果は「それ自体がかなりの成果です」と述べ、プレートテクトニクスがいつ始まったのか、さらに古い岩石の研究が突き止められる可能性があることを示唆しています。幼少期の地球がどれだけ急速に冷却されたかに基づく信頼できる議論は、地球の形成直後の45億年前から30億年前までのどこかに始まりを置いた. 「彼らがこの方向性を追求し、時間の奥深くまで進むことができれば、それは興味深いことです」と是永氏は言います。
初期の太陽系からのタイムカプセルである隕石は、QDMのもう1つの自然な対象であるとFuは言います。 Journal of Geophysical Research:Planets に受理された新しい研究で 、フーは顕微鏡を使用して、木星を超えて形成された可能性が高い隕石内の原始溶融物の結晶化した液滴の硫化物の縁を拡大しました。リムの幅はわずか 100 マイクロメートルで、従来の技術では分離および測定するには小さすぎますが、QDM によって弱い遺物磁気が明らかになりました。太陽の近くで形成された隕石のより強い磁場の過去の測定と組み合わせると、この発見は、46億年前に、惑星を生み出した物質の円盤が斑状の磁場を持っていた可能性があることを示しています。 Fu は、このことは重力ダイナミクスだけでなく、磁気が惑星の円盤からの合体に役割を果たした可能性があることを示していると述べています。
身近なところでは、科学者たちは長い間、鍾乳石や石筍に浸透した水によって残された酸素同位体の比率に基づいて、洞窟の形成を利用して降雨量を測定してきました。しかし、同位体比は信頼できない指標になる可能性があります。水はまた、降雨量に応じて変化する量で、土壌や岩から拾った微細な磁性粒子を堆積させることも知られています. Fu のチームは、ブラジルの熱帯雨林から収集されたサンプルで、QDM が降雨量の代用としてこれらの穀物の存在量を経時的に測定できるように見えることを発見した、と彼は言います。これにより、「過去の環境変化に関するまったく新しいデータ ソースのロックが解除される」と、ミネソタ大学ツイン シティーズの地質学者 Joshua Feinberg は述べています。
MIT の地質学者である Claire Nichols は、QDM はこれまでのところ少数の研究室にしか移行していませんが、物議を醸している古地磁気学の主張を解決するための頼りになるツールになる可能性があると述べています。ニコルズは、グリーンランドの 37 億年前の岩石に磁場を発見したと報告しています。 QDM マップはその主張を補強します。 「今ではゴールド スタンダードになるでしょう」と彼女は言います。
