2020 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) |
橋本 克之 東北大学, 理学研究科, 助教 (30451511)
加藤 恵一 城西大学, 理学部, 准教授 (80374742)
佐藤 和信 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (90264796)
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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 |
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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シールド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。極低温の強磁場中にRFアンテナを微小領域に配置する困難を克服し、機械的な振動に弱いSTMの機械特性をも解決したとこに特徴がある。この分子に対して一定の強度のRF波に対する周波数依存性は大変興味深い。磁場を印加した状態で、-30dbmの強度をもつRFを周波数9.5-10GHzで変化させ分子直上においた探針が形成するトンネルジャンクションに照射した結果を得ており、そこでは9.55GHzおよび9.89GHzでギャップが広がるのが観測されている。共鳴周波数のRFを外部から与えた場合、スピン状態の共鳴により、トンネルジャンクションで観測されるRF強度が増加し、RF強度の増加により準粒子のエネルギー分裂が見かけ大きくなることが観測された。この実験は超伝導体の鋭いエネルギー準位を用いて高精度の分子の分光が可能であることをデモンストレーションしており、化学分析を、スピンを用いて原子レベルでの空間分解能で行うという目標に近づいていると考える.
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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
プロジェクトの中核となる分子スピン検知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を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。RFの伝達ラインは伝達損失を可能な限りなく少なくするため、ケーブル等に新しい技術を用いた。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。広く公知するためにデータを蓄積する必要があり、その作業を急いで行っている。
核スピン検知については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・橋本らと実験を行い、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。同時に、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磁気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。これらの知見をデバイス発展させるため、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 |
来年度以降においては、本年度までに核スピンの電流による検出が実証されたことから、この技術を更に展開、高精度化することで、化学分析の手法としての開発を促進する。同時に量子情報処理に向けたキュービットとしての活用の両面からすすめる。前者に関しては、電流を用いたNMR手法はその高い分解能と感度から、実現されれば従来のNMRやMRI技術に大きな変革をもたらす技術であることから、その早急な分析能力を確立しようとする。そのためには現在まで実証した.LnPc2（Ln ランタノイド金属、Pcフタロシアニン）のLnに関して多くの核スピン状態を持つ分子を設計する。この作業には、城西大学・加藤らが分子合成・設計をすすめる。実験的な検証は精密なNMR測定を大阪公立大・佐藤らが担当する。分子種としてはDyを中心金属として選択肢、Dyの核スピンが5/2でありTbの場合に3/2に比較して多くの核スピン準位を含み、量子ビットとしても多価キュービット、すなわちQUDITとして活用される可能性を持っており、その詳細を調べる。量子ビットのエンタングルメントの検証に、昨年までに作成と検証を終えた、ポンプ・パルス手法を用いたRF入射を用いたスピンの書き込みと読み込みに関してLnPc2分子について蓄積された知見を用いて行う。このためには4fスピンのRFによる操作をゲート操作とみなして、スピンの書き込みを行い、量子状態の読み取りを別のRFで行う手法を世界に先駆けて開発する。
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