【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.13】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24MS0002

利用課題名 / Title

分子系量子ビットの評価

利用した実施機関 / Support Institute

自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies

キーワード / Keywords

電子スピン偏極、ESR、光励起三重項、MOF、ラジカル,スピントロニクス/ Spintronics

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

楊井 伸浩

所属名 / Affiliation

東京大学大学院理学系研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

山内朗生,井上魅紅,Bhavesh Parmar,矢吹 怜也,Manpreet Singh

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

中村敏和,浅田瑞枝

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

MS-214：電子スピン共鳴（E680）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年、量子コンピューティングや量子センシングといった量子技術の研究が世界中で盛んに進められている。これらの技術の基本的な構成要素が量子ビットであり、量子センシングはその量子力学的な性質を利用したセンシング手法である。特定の量子状態が外部環境に極めて敏感に応答するという特徴を活かし、従来に比べて高い感度や分解能でのセンシングの実現が期待されている。分子の電子スピンを用いた分子性量子ビットは検出対象の化学種と近接して相互作用でき、構造を厳密に制御可能であるという特徴を有する。本研究では、多孔性金属錯体（MOF）中に多様な量子ビットを導入し、更にはMOFの細孔中に種々のゲスト分子を導入した状態で量子コヒーレンスの評価を行うことで、量子センシングへの応用について検討を行った。

実験 / Experimental

測定には電子スピン共鳴装置(E-680)を用いた。光励起にはSpectra Physics Quanta-Lay Nd:YAGを用いて発生させた波長532 nm、強度 数mJ のパルス光を用いた。分子系量子ビットの一つとして、ジアザテトラセンを色素として用い、ゲスト分子として導入、および色素含有ジカルボン酸型配位子としてMOF中に導入したものを用いた。また、トリプレットとラジカルが強くカップルしたカルテット状態も量子ビットとして用いることを検討した。光励起によりトリプレットを生成するポルフィリン誘導体を配位子として反磁性金属イオンであるZr⁴⁺と錯形成させることでMOFを合成し、更にはラジカルとしてはTEMPO誘導体をMOF中に導入したものをサンプルとして用いた。

結果と考察 / Results and Discussion

光を照射することにより有機分子の三重項状態に生じるスピン偏極した電子スピンを観測した。三重項状態を生成するジアザテトラセンを柔軟な構造変化が可能なMOF中に導入することで、高いスピン偏極率と様々なゲストに対する応答を両立することに成功した。ジアザテトラセン色素を密に集積したMOFを室温で光励起するによって発生した色素ラジカルを量子ビットとして用いることも提案した。興味深いことに色素ラジカルの量子コヒーレンス時間T₂ が異なるゲスト分子の吸着により変化するという挙動を見出し、色素集積MOF中でのラジカルは量子センシングへ利用できる可能性を示した。更にはポルフィリンとTEMPOラジカルの複合系に関しては光照射によりスピン偏極したカルテット状態の観測に成功し、量子センシングの高感度化に重要なより多くのスピンがエンタングルした分子性量子ビットをMOF中に発生させることが出来た。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

受賞等2025年1月: 文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ　令和６年度秀でた利用成果優秀賞 2024年12月: 日本学術振興会賞

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Akio Yamauchi, Modulation of triplet quantum coherence by guest-induced structural changes in a flexible metal-organic framework, Nature Communications, 15, (2024).
   DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51715-w
   
2. Miku Inoue, Guest-responsive coherence time of radical qubits in a metal–organic framework, Chemical Communications, 60, 6130-6133(2024).
   DOI: DOI https://doi.org/10.1039/D4CC01564A
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 楊井伸浩 "量子の時代における分子集積材料の開発" 2024年度 東海シンポジウム, 2025年1月23日, ウインクあいち
2. "Photo-excited molecular materials with energy and spin conversions" GDCh lecture, University of Mainz, 2024/10/11, Mainz, Germany
3. 楊井伸浩 "Optical and spin functions in chromophore assemblies" Harnessing Light Energy with Molecules, Beilstein Organic Chemistry Symposium 2024, 2024/10/10, Limburg, Germany
4. 楊井伸浩 "Quantum functions in MOFs" MOF2024, 2024/7/17, Singapore
5. 楊井伸浩 "スピン超偏極材料の開発" 第７２回 固体ＮＭＲ・材料フォーラム, 2024/6/14, 神戸商工会議所会館

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件