2017 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候補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。加えて、分子スピンに替わる量子情報のための新自由度の提案も実施年度途中から課題に加え、多方面から本課題達成のための理論的研究を進めてきている。
本年度は、昨年度末までに見出した理想的な「分子スピン内包型π分子」について、第一原理計算による当該分子の電子/スピン状態解析を進め、ロバストな情報処理に必要なメカニズムの具体化を進めた。また、理論的な設計と並行して実験研究者との共同研究も進展し、理論・実験の両面からの検討が展開している。加えて、本分子はロバストなスピン保持に最適な分子であるものの、その情報を読みだす際には、なんらかの外的因子を与えて読み出すことを想定しており、当該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ため、そのコンタクト構造の理論設計に関しても着手し、良好なコンタクトの候補を複数見出すことに成功した。一方、後半の新課題である「新自由度による量子情報分子素子の具現化」に関しては、分子骨格の具体的設計が進行中である。
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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
本年度は、昨年度末までに見出した理想的な「分子スピン内包型π分子」について、第一原理計算による詳細な解析を進めた。当該分子は、その分子骨格構造に由来する特性からロバストな情報保持にはとても有効であることが容易に確認できるが、情報操作に関しては何らかの工夫が必要であった。この点に関しては状態変化を利用することで情報操作が選択的に可能であることを理論的に見出し、当面の目標であった「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メカニズム提案」はほぼ完成の段階に至った。本年度は、この理論提案をさらに推し進めるべく実験研究者との共同研究もスタートさせ、理論・実験の両面からの検討が展開するに至った。その一方で新たな課題も浮上した。本分子はロバストなスピン保持に最適であるものの、その情報を読みだす際には、本π分子と読み出しのための電極（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須となることが判明した。本年度はそのコンタクト構造の理論設計にも着手し、良好なコンタクト候補を複数見出すに至った。新課題の「新自由度による量子情報分子素子の具現化」に関しては、具体的分子の設計に難航しているものの、こちらに関しては理論分子化学者の協力を得つつ、次年度において明確な分子構造の提案に至るものと期待している。
以上のことから、本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」
本課題は、スピン情報のロバスト操作/読み出しのための理論的基盤技術の確立であるため、第一原理計算による当該分子の電子/スピン状態解析を推し進め、スピン情報のロバスト操作/読み出し時に要求される分子パラメータの構築を進める。加えて、継続進行中の実験研究者との共同研究もさらに進めることで、理論的な基盤のみならず実験的基盤の確立も視野に入れて研究を展開する。その際には、当該分子と電極接合部位に要求されるロバストなコンタクト構造も考慮することで、より確実な実験検証が可能になると考えている。
「２．新自由度による量子情報分子素子の具現化」
昨年度までで、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ている。しかしながら、その条件を備えた具現的な分子の設計にはまだ至っていない。新学術領域内で情報を共有し、上記条件に見合った分子の探索を進めるとともに、情報科学的な技術も導入し機械学習的探索も実行予定である。なお、本項の新自由度に関しては、まだ未発表な内容のため詳細な説明はここでは割愛するが、量子情報ユニットそのものとしての活用に加え、既存の自由度（例えば、スピン）とカップルさせることで情報の非破壊検出への可能性も見出している。次年度は最終年度であるため、これらの知見を理論的な提案としてまとめることも実行する。
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[Journal Article] A Stable, Soluble, and Crystalline Supramolecular System with a Triplet Ground State2017
Author(s)
Tsukasa Futagoishi, Tomoko Aharen, Tatsuhisa Kato, Azusa Kato, Toshiyuki Ihara, Tomofumi Tada, Michihisa Murata, Atsushi Wakamiya, Hiroshi Kageyama, Yoshihiko Kanemitsu, and Yasujiro Murata
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 56
Pages: 4261-4265
DOI
Peer Reviewed
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