| Project/Area Number |
23K26726
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| Project/Area Number (Other) |
23H02033 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 35030:Organic functional materials-related
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
山田 豊和 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (10383548)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
KRUEGER PETER 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30706362)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
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| Keywords | 量子スピン / 有機分子 / 磁性原子 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面合成 / NVダイアモンド / 量子ビット |
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| Outline of Research at the Start |
我々は、現在の磁気情報媒体メーカーが広く汎用に使用している真空製膜手法を用いた、次世代・量産型量子材料の開発を目指している。独立した磁性原子を有機分子で架橋し、磁性原子数十個を含むメゾ領域の二次元量子スピン系を基板表面上で人工的に構築する。量子スピン系と電子結合することのない特殊な基板を用いることが肝要である。開発と計測は全て空気の無い超高真空環境にて行う。原子イメージングが可能な走査トンネル顕微鏡装置に可視光とマイクロ波を導入し、量子スピンのラビ振動計測を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
情報社会の発展には、これまで2007年ノーベル物理学賞「巨大磁気抵抗効果の発見」に代表されるように「磁石」が大きな貢献を果たしてきた。現在も情報クラウドセンターでは無数の小さな磁石が世界中の情報を「１」「０」に変換し、磁石のN-S極で「１」、S-N極で「０」を保存している。
これに対し、2020年代、急速に発展してきたのが、次世代・量子スピン情報技術である。既に、既存の超電導素子技術を用いた量子コンピューターが実用化している。その最大の利点は、これまでの古典的な磁石では「１」と「０」しか取り扱えなかったが、量子的な磁石ではα|1> + β|0>のように“重ね合わせ”を用いて、無数の情報制御が実現できる点にある。
我々は、未来の量子技術を担う革新的な量子材料開発を実施する。二次元量子スピン系の構築を、有機分子と磁性原子を用いて実現する。古典的な磁石の「磁性」の起源は、磁石内の無数の磁性原子の周期構造と対称性が生み出す電子バンド構造のフェルミ準位近傍でのスピン偏極にある。この磁石を１個の原子まで小さくすると、電子バンド構造は消え全ての電子軌道は離散化し量子スピン状態が構築できる。１個の磁性原子の研究はユニークであるが、熱拡散し耐久性も低く応用には不向きである。量子スピンを如何に堅牢に固定しながら制御できるかが課題である。ダイアモンド中の窒素空孔センターは、堅牢に保護された理想的な量子スピン系の一つである。一方、我々は、現在の磁気情報媒体メーカーが広く使用している真空製膜手法を用いて、NVセンターと類似の次世代の量子材料開発を目指している。独立した磁性原子を有機分子で架橋し、磁性原子数十個を含むメゾ領域の二次元量子スピン系の構築を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
有機分子と磁性原子による二次元量子スピン系の構築を目指している。
磁性原子間の相互作用を強めたいなら長さの短い1,4-Di(4-pyridyl)benzene(DPB)が良いが、320-330 Kで真空昇華し制御が困難と分かった。そこで、前駆体分子quaterphenyl-4,4-dicarbonitrile (Ph4DN)結晶を合成した。4,4-dibromobiphenylと4-cyanophenylboronic acidを触媒としてpalladium(0)を用いて反応させた(収率: 228 mg, 0.641 mmol, 40%)。その後、再結晶化し(収率: 33.1 mg, 0.0929 mmol, 22%)、1H-NMR (500 MHz, d-chloroform)測定からPh4DN結晶の精製を確認した。精製した結晶を坩堝に入れ、超高真空内にて温度変化による昇華レート測定を行った(0.5 nm/min at 坩堝温度410 K, 2×10-7 Pa)。アレニウスプロットより、昇華エネルギーΔE = 1.68 eVを得た。磁性金属としてCu(111)上での磁気構造が明白なCoを使用した。Cu(111)上にCoを0.2原子層分(MLs)蒸着しCoナノクラスター成長を確認した。二次元量子スピン系の構築にはCoとPh4DNの共蒸着が必要である。双方の蒸着器の芯出しを慎重に行った。中心軸が僅か数 mmずれるだけで蒸着量の制御が困難となる。芯出し後、Cu(111)表面に室温でCoとPh4DNを共蒸着し、その後、ポストアニールした。その結果、Coナノクラスターのみが形成され分子は脱離してしまった。分子吸着時は基板温度を低温にし、Co原子蒸着後に基板温度を室温まで上昇する方式に変更する。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 二次元量子スピン系の構築を実現するには、導電性基板では、基板と分子間の電子結合が切れないため本来不適切である。基板との電子結合を切るためIr(111)上のグラフェン作製を実施する。プレ実験として、清浄化したIr(111)を1200K以上に加熱しながらC2H4分子を照射し化学気相成長にてグラフェンが作製できる事を電子線回折スポットより確認した。今後、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて精密な構造解析を進める。
(2) 理想的には、NVダイアモンドと同じような量子スピン構造を二次元系で実現したい。そのためには、磁性原子周りに有機分子が配位した際の量子スピン構造の予測と理解が不可欠である。そこで、Gaussian16計算でCo原子周りにPh4DNがC2, C3, C4対称で配位した際、スピン多重度、価数を変化させ、エネルギー的に最安定な状態を既に探ってきている。今後、さらに第一原理計算を用いて詳細を詰めていく。
(3) 量子スピン検出を行うには、光照射による初期化と、マイクロ波パルスによる量子スピン状態の制御が不可欠である。光とマイクロ波の導入を、我々が使用している走査トンネル顕微鏡(STM)装置に組み込む。そのため、プレ実験として、可視光とマイクロ波によるダイヤモンド内のNVセンター量子スピン状態の光学磁気共鳴計測を実施し観測に成功した。今後、この技術を超高真空STM装置へ組み込む。
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