2016 Fiscal Year Annual Research Report
局在分子スピン操作のための外場制御型パイ造形の理論的設計
| Project Area | pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions |
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| Project/Area Number |
26102017
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
多田 朋史 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 准教授 (40376512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南谷 英美 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (00457003)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 分子スピン / 量子ダイナミクス / 分子集積体 / 分子接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はπ電子系分子の多彩な特性を活かした新規な電子デバイスを設計することを目的とし、そのπ電子に由来する微視的な情報を如何にしてロバストに保持し観測しうるか、の基盤技術を確立するための理論研究である。
分子スピンをターゲットとした場合、情報源としての有力ターゲットは電子または核スピンであるが、それらのスピン状態（特に電子スピン）は環境との相互作用が強く、長時間保持は一般に容易ではない。本研究では、この情報保持をいかにして強固なものにするかの新概念を提案するものであり、さらにその情報を安全に、かつ、非破壊的に読み出すための基盤技術を確立することを目的とした理論研究である。
本年度は、昨年度からの継続課題としてπ伝導チャネル造形を行うことに加え、量子散乱ダイナミクスから得られるπ伝導チャネルに接合された分子スピンダイナミクスの検討と、そのスピン自由度とエンタングル可能となる新しい自由度について検討を行った。
前者に関しては、当該領域の実験研究者との共同研究により、分子スピンとして理想的な分子が見つかり、その電子状態を詳細に解析することで、量子情報素子としての可能性を見出した。情報読み出し/操作等に必要となる伝導チャネルにはπ電子系基盤を想定しているが、まずは単分子接合を利用したナノ構造体をベースにした系への展開に至った。後者に関しては、基本コンセプトが確立でき、現実的分子の設計の段階に至った。
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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
微視的な分子情報を如何にしてロバストに保持し観測しうるかの観点でこれまで理想的な基盤/分子を探索してきたが、当該領域に参画する実験研究者との共同研究を介して理想的なπ電子系分子を決定するに至った。その分子は、微視的情報（電子スピン）が、それを取り囲むπ電子系に捕獲（保持）されており、本研究課題で目指す分子スピンとしての要件を満たしている。この分子は、その実験研究者によりすでに合成に成功しており、次のステップとして、スピン状態の制御と観測、という段階に進んでいる。その制御と観測にはなんらかの基盤が必要となるが、まずは単分子接合構造を利用することで、制御と観測のための具体的な理論&実験検討に入っている。
また、分子スピン以外の自由度を量子情報ユニットとして提案する、という内容に関しても進展があり、理論的観点から新自由度の提案が可能な段階に到達した。しかしながら、その条件を満たす具体的な分子骨格の設計にはまだ至っておらず、この設計に関しては次年度以降に残された課題である。
以上のことから、本研究課題は順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
「１．分子スピン内包型π分子による量子情報処理」
理論的立場から提案している分子スピン状態の選択的演算と選択的読み出しのための基本メカニズムを、現実的実験環境でいかに実現化するための検討を行わねばならない。これには、まずは分子スピン内包型π分子を分子接合系として構築し、その接合体を試作構造として検討を重ねる必要があり、実験研究者と綿密に議論を重ねながら進める予定である。加えて、本分子は分子スピンがそれを取り囲むπ電子で保護されており、ロバストなスピン保持に向いているとは考えられるものの、それを読みだす際には、なんらかの外的因子を与えて読み出すことを考えており、本π分子と読み出し用電極（またはπ電子系基盤）とのロバストなコンタクト構造の提案も必要となる。このコンタクト構造の理論設計に関しても着手する。
「２．新自由度による量子情報分子素子の具現化」
理論的観点から量子情報ユニットとして有効となるスピン以外の新自由度を見出すことに成功した。しかしながら、その状況を具現化するに適した分子構造の設計には至っていない。次年度はこの分子構造設計も進め、何らかの分子を提案する。
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