Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素（cBN）という、鉱物界の「ロックスター」とも言える、極めて硬く、極めて光沢のある2つの超物質を想像してみてください。これらは、まるで生まれ離れた究極の双子です。どちらも、原子が完璧に組み合わさった格子状の構造を持ち、溶けることなく猛烈な熱に耐えることができ、信じられないほど頑丈です。これほど似ているため、科学者たちは、もし一方に穴を開けたり、もう一方に塵を落としたりすれば、ほぼ全く同じように反応するはずだと長年考えてきました。

しかし、ここには謎があります。私たちはダイヤモンドの中にある「傷跡」や「生後マーク」（欠陥）について多くのことを知っています。何がダイヤモンドを青く輝かせたり、緑色に光らせたりするのかを、私たちは正確に把握しています。しかし、cBNはまるで秘密を守り続ける内気な従兄弟のようです。私たちはそれが奇妙な色で光るのを目にしていますが、何がそれを引き起こしているのかを知りません。それは欠けた原子なのか、余分な原子なのか、それとも特定の不純物によるものなのでしょうか？これらの小さな欠陥を理解することができれば、ダイヤモンドと同様に、cBNを量子コンピュータや超高輝度ライトのためのハイテクツールへと変貌させられる可能性があるため、この解明は非常に重要です。

この論文は、調査員たちが推測をやめ、比較を開始することに決めた探偵小説のようなものです。研究者たちは、全く同じ高圧オーブンを用い、同じ道具と条件を使用して、ダイヤモンドとcBNの両方の結晶を成長させました。これは、同じ生地を使って同じオーブンで2種類の異なるケーキを焼き、どのように膨らむかを見るようなものです。これらを並べて観察することで、彼らはcBNの「傷跡」が、色がわずかにシフトしているものの、ダイヤモンドの傷跡の鏡像であることを発見しました。

彼らが発見した内容は以下の通りです：

黄色い謎の解決
彼らが成長させた多くのcBN結晶は、明るい陽光のような黄色でした。長い間、なぜそうなるのかは不明でした。研究者たちは、これらの黄色い部分には酸素が大量に含まれていることを発見しました。酸素原子が結晶の中に忍び込み、窒素原子の席を奪ったのだということに気づいたのです。それは、酸素が窒素の席に座ることで結晶の色を変えてしまう、椅子取りゲームのようなものです。これは、窒素がダイヤモンドに黄色を引き起こす仕組みと非常によく似ていますが、cBNでは酸素が主役を務めています。

「放射線」の双子
cBNに高エネルギー粒子を照射すると、RC1およびRC3と呼ばれる新しい発光スポットが現れました。これらは、ダイヤモンドの有名な「窒素空孔（Nitrogen-Vacancy）」センター（ダイヤモンドを赤や緑に光らせるもの）に酷似していました。研究者たちは、これらのcBNのスポットが、ダイヤモンドの従兄弟たちと同じように、異なる色の光に反応して輝きが変わることに注目しました。彼らは、これらが単なるランダムな不具合ではなく、酸素原子が窒素原子の代わりを務め、かつボロン（ホウ素）の欠損（空孔）のすぐ隣に位置している複雑な複合体であることを示唆しています。一方は「中性」バージョンであり、もう一方は「電荷を帯びた」バージョンであり、ダイヤモンドの窒素空孔ペアと全く同じように機能していますが、この場合は特定の「酸素とボロン空孔のチーム」によるものです。

ニッケルとシリコンの手がかり
彼らはまた、ニッケル触媒を用いて作られた結晶において、1.76 eVでの特定の輝きを発見しました。ダイヤモンドにおいて、ニッケルは非常に特殊で複雑な光のパターンを作り出します。これらのcBN結晶も同じニッケルで作られているため、研究者たちは、この輝きも以前に考えられていた「窒素の欠損」によるものではなく、ニッケルによって引き起こされていると考えています。

同様に、混合物にシリコンを加えると、1.816 eVでの新しい輝きが現れました。ダイヤモンドにおいて、シリコンは「スプリット空孔（分割空孔）欠陥」（シリコン原子が2つの隙間の間に位置し、それらを押し広げる状態）を作り出します。研究者たちは、このcBNの輝きも同様に、シリコン原子が単独で存在するのではなく、シリコン原子と欠損が協力して働いているものであると示唆しています。

機械の中の「幽霊」
最後に、激しい放射線照射後に現れた、BN1センターと呼ばれる奇妙で鋭い輝きがありました。これには、周囲の振動（フォノン）に関する独特な「指紋」があります。この指紋は、ダイヤモンドにおける格子間関連複合体（結晶の隙間に原子が押し込まれた欠陥）によって引き起こされる欠陥と一致しました。研究者たちは、BN1センターはおそらく、単なる欠損ではなく、cBNにおける格子間関連の欠陥であると提案しています。

大きな展望
この論文は、すべての謎を絶対的な確実性をもって解明したと主張しているわけではありません。むしろ、非常に強力な「地図」を提示しています。もしあなたがダイヤモンドの欠陥の「性格」を知っていれば、その双子であるcBNの「性格」を推測できるということです。色はわずかに異なって見えるかもしれませんが（約40〜140 meVのシフト）、キャラクターは同じなのです。これにより、研究者たちはcBNを理解するための強力な新しい方法を手に入れました。その有名な双子であるダイヤモンドを見ることで、ついに立方晶窒化ホウ素が放つ光の中に書かれた物語を読み解き始めることができるのです。