2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Spin Coherent Microscopy with Time and Space Resolutions Dedicated for Quantum Information Processes
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19H05621
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
米田 忠弘 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30312234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 和信 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (90264796)
橋本 克之 東北大学, 理学研究科, 助教 (30451511)
加藤 恵一 東北大学, 理学研究科, 助教 (80374742)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / トンネル分光 / 量子コンピューター / スピンダイナミクス / RF照射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本プロジェクトでは分子がもつ電子スピン・核スピンをRFで操作し、STM装置を用いたセットアップで原子分解能を持って現行のESR・NMRに匹敵する化学分解能と量子操作を可能とする装置開発が基本となる。実験のセットアップとしてSTMを１K以下の極低温で動作させ、磁場とRFを効率的に導入する要素技術の開発が必要となる。そのために２つのRF導入手法を設計し、装置を構築した。一番目はSMA導線で伝達効率を向上させてRFを探針より導入する方法であり、２つ目はRFのポンプ・プローブ手法として最適な、効率的なRF導入を目論んだ独立した２つのアンテナをトンネルジャンクションの近傍に設置する工夫である。この両者を相補的に用い、よく制御されたRF導入システムの設計及び装置構築に世界に先駆けて成功した。この装置を用い最初に超伝導体のサンプル・探針トンネルギャップにRFを照射したときの挙動を調べた。微弱な磁気情報を読み出す手法に超伝導物質を用いる手法は多く用いられており、分子の磁化率測定などでSQUIDは化学の分野でも欠かせない装置となっている。超伝導トンネルギャップにRFを照射する実験そのものは、superconductor photo assited tunneling (SC-PAT)として知られており、RFのフォトンを出し入れする非弾性トンネル過程として理解される。RFの作る電解強度が強くなった場合、多光子吸収・放出が支配的になり半古典的なトンネル過程として扱われ、RFが作る電界強度をV0とした場合、eV0のエネルギーでもっとも強いピークが観測される。V0に比例して準粒子のそれぞれがフォトンの吸収・放出に相当する２つのピークに分裂する。実際にNbSe2の探針と基板を用いて、本装置を利用した実験をカラーマップとして測定に成功した。シミュレーションで得られた分裂が正確に再現された。
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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
本プロジェクトは量子コンピューターの核心となるキュービットについて、分子スピンを用いて構築するための基盤技術を構築することであり、研究目的は次のようにまとめられる。１．分子のスピンを電流を用いて検知、単一分子での分析を可能とする。２．分子スピンの電子スピン・核スピンをRF照射によって量子操作し、かつ原子レベルで検知する。３．目的に資する分子の設計合成。特に、長いコヒーレント長（T2)を実現する分子を合成する。４．分子スピンの挙動を電流として外部に取り出すデバイスを構築。
研究は順調に進行していると判断している。プロジェクトの中核となる目標１については電流でスピンをESR/NMRのエネルギー分解能で化学分析する必要がある。300mK程度の低温と超伝導磁石を備えたSTMの構築と、狭いヘッド部分にRFを効率よく導入する装置の設計作成に成功した。RF導入を精密に設計した極低温STM装置は世界的に先駆けて作成されたと考える。この装置を用いて超伝導体表面と単分子磁石を組み合わせた複合体で、探針・試料間にRFを照射することで単分子磁石の核スピンの検出を開始し、検出に成功しており目標達成に近いと考える。２についてはRFによる核スピンの操作と電流により核スピン状態の変化を検知する手法に経験を持つ東北大・橋本らと実験を開始しており、いくつかのデータを得ており、順調に進行していると考える。３に関しては、城西大・加藤らが提供する分子を表面吸着させ、孤立スピンが周辺の伝導電子によって時期的に遮蔽されるために出現する近藤効果を観察することで分子間の磁気的相互作用の解明やその操作に成功し論文発表を行っている。４については、原子層（MoS2）を用いた電界効果トランジスタのチャンネル部分に分子を吸着させた系で、分子の状態をFETの電流特性として取り出す手法を開発し論文発表を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
装置の設計と作成が完成したので、今後この装置を用いてRFの効率的導入による測定をすすめる。RFをトンネルジャンクションに照射することによって単分子に対する化学分析を原子分解能で構造観察と同時にESR・NMR並のスピンを用いた化学分析能力を得ようとする計画は順調に進んでおり、現状のところでも記述したが目標の分子を超伝導体と複合体を作成してその鋭いエネルギー準位・準粒子のスペクトル構造の変化として分子のスピン状態を通して化学分析を行う技術を発展させる。電子スピン・核スピンの励起に相当するRF周波数をトンネルジャンクションに与えることで、準粒子のピーク位置が敏感に変化することを利用したトンネル分光ESR/NMRをより汎用の技術として活用できるようにより基盤を固める。
さらにRFによるスピン状態のポンプ・プローブを行いスピンのダイナミクスを解析に発展させる。これらは量子ゲート操作・制御に直結する。対象として核スピンの多重性を利用し、QUBITに比較して多値化により多くの情報が処理できるQUDITの生成を目指す。そのためランタノイドを中心に持つフタロシアニン２層分子について中心金属の調整により、Tb（I=3/2)あるいはDy(I=5/2)とした分子を加藤らが合成する。量子ゲート操作には共同研究者の大阪市大・佐藤が多くの経験を持っているので技術交換を入念に行う。同時に共同研究者の東北大・橋本はFRを用いて核スピン励起を行いデバイスを用いてそれを電流で読み取る研究を行っており、本プロジェクトでも分子と組み合わせた原子層FETデバイスの構築を行っていることから、より明瞭な出口に向けてデバイス応用を実現する。
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