【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　米田忠弘
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【発表のポイント】

• トンネル電流を用いて量子コンピュータの単位である量子ビット^＊１として期待される単分子磁石^＊２のスピン状態の検出に成功
• 電流を用いた磁性分子の量子ビット利用に道
• 量子物性出現の超伝導物理と単分子磁石の化学との邂逅による新しい量子状態の検出と化学分析への応用の可能性

【概要】

これまで磁性分子は、ESR（電子スピン共鳴）/NMR（核磁気共鳴）と組み合わせて量子コンピュータの基本情報単位の量子ビットとして機能し、その演算も可能であることは実証されてきました。しかし量子ビットの材料として今後も発展するためには、電磁波を用いて多数の分子で演算する大型装置から、電流を用いた少数分子の局所領域での演算への変更が必須となります。その実現には電流でESR/NMR観察を可能にする大きな発展が必要とされています。単分子磁石は、配位子の設計により中心金属のスピン方向（磁場の向き）を保持できる特性があるため、量子ビットの有力な候補です。中心金属であるランタノイド^＊３原子の4f電子^＊４スピン、あるいは核スピンの量子ビットへの応用が研究されています。

東北大学多元物質科学研究所のS.M.F.シャヘド助教と米田忠弘教授、理学研究科の山下正廣名誉教授、城西大学理学部の加藤恵一准教授らの共同研究グループは、超伝導体の量子現象と、化学合成で得られた単分子磁石を融合することによって、磁性金属錯体のスピン状態を電流利用で読み込むことに成功しました。超伝導状態は精密で磁場に敏感な電子状態を有し、特に磁性不純物が近傍に置かれたときYu-Shiba-Rusinov (YSR)状態が超伝導ギャップ内に出現することが知られています。本研究では、空間的に原子レベルの限られた領域を流れるトンネル電流の分光を用いて、4f電子スピンをYSRで検知、かつ4fスピンと配位子が作るスピンの相互作用エネルギー（分子内交換相互作用エネルギー）を直接に観察することに成功し、超伝導と分子の組み合わせが量子ビット応用に有用であること、また精密化学分析技術にも貢献できることを示しました。

本研究成果は、2022年4月25日（米国時間）に米国化学会の学術誌「ACS Nano」にオンライン掲載されました。

【用語解説】

*1.量子ビット
量子コンピュータを構成する情報の最小単位。従来のコンピュータにおけるビットと異なり、何らかの物理的な素子の状態の量子重ね合わせで情報が表現される。

*2.単分子磁石
分子1つが磁石のような性質を示す物質群。配位子の設計により中心金属のスピン方向（磁場の向き）を保持できる特性がある。

*3.ランタノイド
原子番号57（ランタン）から71（ルテチウム）までの15の元素の総称。希土類元素に分類される。

*4.4f電子
ランタノイドに属する希土類元素が持つ4f軌道とよばれる軌道を占める電子。4f軌道には最大14個の電子が収容される。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
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電話：022-217-5368
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