韓国の基礎科学研究院(IBS)は7月16日、IBS量子ナノサイエンスセンター(QNS)とカールスルーエ工科大学(KIT)の研究者らが、磁性を持つ単一分子と走査型トンネル顕微鏡(STM)の磁性探針との交換相互作用を利用し、分子の量子状態を電気的に制御できることを実証したと発表した。研究成果は学術誌Nature Physicsに掲載された。

電圧依存性交換場を用いた単一分子量子状態制御の模式図
(出典：IBS)

量子技術では、量子情報の基本単位となる量子ビットを原子スケールで個別に制御する必要があるが、従来用いる磁場の作用を単一分子に限定することは難しい。数nmの磁性を持つ分子は、規則正しい構造に自己組織化し、望ましい量子特性を持つよう化学的に調整できるため、量子コンピューティングや量子センシング、スピントロニクスの構成要素として期待されている。これまでの研究で、電場によって分子のスピンを調整できることは示されていたが、その効果は一般に、実用的な量子操作に用いるには不十分だった。

QNSのアンドレアス・ハインリッヒ(Andreas Heinrich)所長が率いる研究チームと、QNSに在籍したフィリップ・ウィルケ(Philip Willke)氏が率いるKITチームは、STMと電子スピン共鳴を組み合わせた手法(ESR-STM)で、鉄フタロシアニン(FePc)分子などを調べた。印加電圧が分子の電子エネルギー準位の一つに近づくと、分子とSTMの磁性探針との交換相互作用を通じて、分子のスピンが顕著な非線形応答を示した。共鳴周波数は30％近く変化し、従来報告された分子のスピンの電気的調整効果の大半より1桁大きかった。また、電圧制御された交換相互作用が、スピン制御用の極めて局所的な実効磁場を生成するというQNSの理論的枠組みを実験的に裏付けた。

ラビ振動の測定により、磁場を変えず、電圧によって単一分子のスピンを選択的かつコヒーレントに制御できることを示した。結合した複数の分子のスピンでも、隣接スピンを乱さず一方だけを調整できた。この効果は分子の変形に依存せず、分子のスピンと近接する磁性電極との相互作用から生じるため、量子ドットや固体中のスピン欠陥にも応用の可能性がある。責任著者のクリストフ・ヴォルフ(Christoph Wolf)氏は｢個々の分子のスピンを、これまでにない効率とナノスケールの精度で操作できる、根本的に新しい機構を実証しました｣と述べた。

サイエンスポータルアジアパシフィック編集部