日本电报电话公司（总部：东京千代田区，总裁兼首席执行官：泽田淳，以下简称“NTT”）和国家先进工业科学技术研究所（总部：东京千代田区，总裁：Ryoji Chubachi，以下简称“AIST”）正在联合开展一项研究项目，该项目使用微型机械振荡器在固体中生成图像。核磁共振＊1我们是世界上第一个成功控制这种现象的人。
如今，实现超高速计算的量子计算机、有望绝对安全的量子信息通信、提供超高灵敏度检测技术的量子传感器等量子技术量子存储器＊2的重要性正在引起人们的注意。量子存储器是一种能够长期保持量子态的元素，其中一个候选者是核自旋＊3这次，实验表明，可以利用微小机械振荡器引起的应变，逐个元件地控制核磁共振的频率。该技术使得在集成器件中单独操纵所需量子存储器的核自旋成为可能，有望成为在固态器件中实现量子存储器的重要基础技术。
这一结果是在 NTT 制造和测量元素，并在 AIST 依据理论计算分析数据而获得的，并将发表在英国科学杂志《自然通讯》（8 月 28 日）上。这项研究的一部分是作为日本学术振兴会（东京千代田区，会长：里见进）新学术领域“混合量子科学”科学研究补助金的一部分而进行的（代表人：东北大学科学研究生院教授平山义郎）。
核自旋是原子核的旋转运动（图 1(a)），当置于磁场中时会表现出独特的进动（图 1(b)）。这种进动因其在各种设备中的应用而引起人们的关注，例如利用其长期保持状态的能力来记录量子信息的量子存储器，以及利用其对磁场的敏感性的磁场传感器。一般来说，操纵核自旋的方法是核磁共振，它发射与磁场中进动共振的电磁波。然而，使用均匀分布的磁场和容易在空气中传播的电磁波的传统方法同时引起大范围的核磁共振，使得在小芯片上排列许多元件的集成电路中难以单独操纵所需元件的核自旋。
这一次，为了单独操纵这些核自旋，我们利用了核磁共振频率对固体应变敏感变化的特性。通过在材料中的所需位置人工产生应变，可以逐个元素地控制核磁共振。为了产生局部应变，我们使用纳米加工技术机械谐振器＊4并用它来尝试通过结构振动时发生的周期性应变来控制核磁共振。结果，共振频率受到振动的调制，并产生新的核磁共振（由振动应变和电磁波共同引起的边带＊5共振)。
制作的振动器（图 2(a)）是两道梁＊6的结构，是通过微加工砷化镓（GaAs）这种压电半导体而制成的。压电效应＊7对该结构进行电振动，可以在梁结构的底部产生周期性应变（图2（b）），并改变产生该应变的位置处材料中包含的核自旋的行为。在实验中，我们除了在世界上首次成功地通过周期性应变调制磁共振频率（图3）外，还成功观察到了一种新的核磁共振现象，称为边带共振（图4），其中共振峰出现在梁结构振动频率偏移的位置。观察到的实验结果与基于应变和核自旋相互作用模型的理论计算结果非常吻合，表明该效应是由振荡器产生的应变引起的。
(1) 当晶体中发生应变时，核自旋周围的原子排列会发生变化，从而导致核自旋状态发生变化。特别是，振荡应变与核自旋相互作用的现象称为核声共振，这一现象已为人所知 50 多年。然而，利用核声共振控制核自旋需要极大的振动应变（声波），而迄今为止这种振动应变不容易产生。在这项研究中，我们突破了一种新方法，利用具有尖锐谐振和高可控性的机械振荡器产生比普通声波大得多的失真，并在世界上首次成功观测到谐振频率和边带的变化。
(2) 边带共振是一种新的核磁共振现象，可以通过核自旋和振动应变的综合作用来解释。通过使用边带共振，可以单独操纵每个元素中的核自旋，或者相反，读出核自旋的方向，并且它可以用作多路复用和集成量子存储器和量子传感器的平台，这些量子存储器和量子传感器读取和写入核自旋信息。
机械谐振器与晶体管一样，采用半导体纳米加工技术制造，因此可以集成到半导体芯片中。利用这项技术，我们的目标是在多个设备中实现核自旋的选择性控制，并将其用作集成量子存储器和量子传感器的平台。