（a）通常スピン1/2のフッ素核のNMR信号は1本ですが、（b）磁場と垂直に試料と共振回路を同時に回転させると、スピン1/2にもかかわらず3本に分裂します。

通常、スピン1/2の原子核は磁場中で二つの量子状態を持ち、核磁気共鳴（NMR）では1本の共鳴線が観測されます（図1（a））。本研究では、試料と検出コイルを同時に高速回転させる特殊なNMR装置を開発し、回転座標系における核スピンの振る舞いを調べました。その結果、スピン1/2のフッ素核において、通常は1本しか現れない共鳴線が3本に分裂するという予想外の現象を発見しました（図1（b））。

さらに、この共鳴線の分裂幅は回転周波数に一致し、磁場と回転軸のなす角度によらず一定である一方、各共鳴線の強度は角度に依存するという特異な性質を示しました。この現象を理解するため、周期的に時間変化する量子系を記述するフロケ理論を用いて解析したところ、本来の核スピン1/2に加え、機械的回転の周期性に由来する新たな有効スピン1/2が出現することが明らかになりました。すなわち、一つの核スピンが回転運動によって四つの量子状態を持つようになる核スピン状態の量子多重化が実現しています。この二つのスピン1/2は、それぞれ量子ビットとして扱うことができ、理論的には量子論理演算も可能です。

本研究は、機械的回転という古典的な運動を利用して量子状態の自由度を拡張する新しい原理を示したものであり、今後は量子演算の実験的実証を目指します。

本研究は、JSPS科研費（JP21H01800）の助成を受けたものです。

外部論文: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.130603