パルス電子－電子多重磁気共鳴法の開発と量子状態制御

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23350011
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 佐藤 和信 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (90264796)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中澤 重顕 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (70342821) ; 杉崎 研司 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 特任助教 (70514529)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 量子コンピュータ / 量子情報科学 / パルス電子多重共鳴 / 任意波形マイクロ波パルス / ELDOR-NMR / ニューテーション / ホールバーニング / 量子状態制御

Research Abstract

量子コンピュータの開発や量子情報通信を含む量子情報科学の研究は、これまでに量子情報処理・量子コンピュータの概念・基礎理論の確立とともに、実験的に現存する物理システムで基礎理論の検証し、実際に情報制御を行うことが重要な課題となってきた。本研究では、コヒーレント2重マイクロ波パルス電子－電子二重共鳴(CD-ELDOR)技術を拡張し、量子状態制御を実現するための新しいコヒーレント多重マイクロ波パルス電子－電子多重共鳴分光技術を利用して分子スピン系の電子スピン・核スピンの精密制御することを検討した。前年度に構築した任意波形マイクロ波発振器ベースのパルス電子スピン共鳴装置を利用して、複数の異なるXバンドマイクロ波パルスの波形制御（パルス長、位相、強度）により、電子スピン応答が正確に行えることを確認し、従来の装置では行えなかった多周波電子磁気多重共鳴測定が可能であることを、スピンニューテーション・ホールバーニングの実験を通して実証した。複数のマイクロ波パルスによるホールバーニングを同時に実現し、パルス電子多重磁気共鳴技術の汎用的な利用が出来る段階に到達した。また、安定な同位体置換ジフェニルニトロキシドラジカルに電子-電子二重共鳴（ELDOR）法を適用することにより、ELDOR効果を通じて電子-核スピン系における核スピン情報が得られることを明らかにした（ELDOR-NMR法）。特に、定量的なスペクトル解析を進めることにより、核スピンの情報が電子スピン禁制遷移が生じることにより得られることを分光学的に示した。多重磁気共鳴技術、ELDOR-NMR法は、3つ以上の電子スピンが弱く相互作用する弱交換相互作用多スピン系などのより複雑な量子状態制御を可能にする手法として量子状態制御の応用研究につながる成果である。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Pulsed electron spin nutation spectroscopy for weakly exchange-coupled multi-spin molecular systems with nuclear hyperfine couplings : a general approach to bi- and triradicals and determination of their spin dipolar and exchange interactions (2013)
  • Author(s): K. Ayabe, K. Sato, S. Nakazawa, S. Nishida, K. Sugisaki, T. Ise, Y. Morita, K. Toyota, D. Shiomi, M. Kitagawa, S. Suzuki, K. Okada, and T. Takui
  • Journal Title: Molecular Physics Volume: 111 Pages: 2767-2787
  • DOI: 10.1080/00268976.2013.811304
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hexamethoxyphenalenyl as a Possible Quantum Spin Simulator: An Electronically Stabilized Neutral π Radical with Novel Quantum Coherence Owing to Extremely High Nuclear Spin Degeneracy (2013)
  • Author(s): A. Ueda, S. Suzuki, K. Yoshida, K. Fukui, K. Sato, T. Takui, K. Nakasuji, and Y. Morita
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 52 Pages: 4795-4799
  • DOI: 10.1002/anie.201301435
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Indeno[2,1-b]fluorene: A 20 pi electron hydrocarbon with extremely low energy light absorption (2013)
  • Author(s): A. Shimizu, R. Kishi, M. Nakano, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, I. Hisaki, M. Miyata, and Y. Tobe
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 52 Pages: 6076-6079
  • DOI: 10.1002/anie.201302091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ligand-induced electron spin-assembly on a DNA tile (2013)
  • Author(s): H. Atsumi, S. Nakazawa, C. Dohno, K. Sato, T. Takui, and K. Nakatani
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 49 Pages: 6370-6372
  • DOI: 10.1039/c3cc41801d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Magnetic Properties of Nitronyl Nitroxides with an Adjacent Chiral Group (2013)
  • Author(s): R. Tanimoto, S. Suzuki, M. Kozaki, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, and K. Okada
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 87 Pages: 314-322
  • DOI: 10.1246/bcsj.20130264
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation and Magnetic Properties of Metal-Complexes from N-t-Butyl-N-oxidanyl-2-amino-(nitronyl nitroxide) (2013)
  • Author(s): T. Furui, S. Suzuki, M. Kozaki, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, K. Okada, E. V. Tretyakov, S. E. Tolstikov, G. V. Romanenko, and V. I. Ovcharenko
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 53 Pages: 802-809
  • DOI: 10.1021/ic4020898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An ab initio MO study of heavy atom effects on the zero-field splitting tensors of high-spin nitrenes: how the spin-orbit contributions are affected (2013)
  • Author(s): Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota,* Kazunobu Sato,* Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 16 Pages: 9171-9181
  • DOI: 10.1039/c4cp00822g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 分子スピン量子ビットの設計と量子情報処理・量子コンピューターへの応用 (2013)
  • Author(s): 中澤重顕・佐藤和信・森田 靖・工位武治
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 48 Pages: 632-643
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 任意波形マイクロ波を用いたパルスESR分光技術 (2014)
  • Author(s): 佐藤 和信・中澤 重顕・豊田 和男・塩見 大輔・森田 靖・工位 武治
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] プロトン-電子同期移動を示す混合原子価レニウム錯体の単結晶および無秩序配向ESRスペクトルの解析と電子構造 (2014)
  • Author(s): 山根 健史・佐藤 和信・杉崎 研司・神崎 祐貴・豊田 和男・塩見 大輔・吉澤 真・田所 誠・工位 武治
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] ニトロキシド系ジラジカルの希釈単結晶ＥＳＲスペクトルの解析と分子構造 (2014)
  • Author(s): 中澤 重顕・河盛 萌子・杉崎 研司・豊田 和男・塩見 大輔・佐藤 和信・尾向 宏介・古井 孝宜・倉津 将人・鈴木 修一・小嵜 正敏・岡田 惠次・工位 武治
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] Pederson-Khanna DFT法で求めた零磁場分裂テンソルの軌道領域分割解析 (2014)
  • Author(s): 杉崎 研司・豊田 和男・佐藤 和信・塩見 大輔・北川 勝浩・工位 武治
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] 同位体標識安定有機ラジカルにおける電子-核スピン状態操作 (2014)
  • Author(s): 田中 彩香・佐藤 和信・吉野 共広・西田 辰介・中澤 重顕・Rahimi Robabeh・豊田 和男・塩見 大輔・森田 靖・北川 勝浩・工位 武治
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] A Hybrid CASSCF/MRMP2 Method for the Quantitative Calculations of the Spin–Orbit Term of Zero-Field Splitting Tensors: A Case Study on Halogen-Substituted High-Spin Nitrenes (2013)
  • Author(s): Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • Year and Date: 20131202-20131206
  • Invited
• [Presentation] Organic Open-Shell Systems as Models for Molecular Spin Quantum Computers and Spin Manipulation by Pulsed ESR Technology (2013)
  • Author(s): Kazunobu Sato, Shigeaki Nakazawa, Ayaka Tanaka, Tomohiro Yoshino, Kenji Sugisaki, Shinsuke Nishida, Tomoaki Ise, Yasushi Morita, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • Year and Date: 20131202-20131206
  • Invited
• [Presentation] DFT Calculations of the Spin–Orbit Term of Zero-Field Splitting Tensors: An Orbital Region Partitioning for the Analysis of PK-DFT, and Proposal of a Modified QRO Method (2013)
  • Author(s): Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • Place of Presentation: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • Year and Date: 20131202-20131206
  • Invited
• [Presentation] Quantum Manipulation of Electron and Nuclear Spins by Pulsed ESR Technique for Molecular Spin Quantum Computers: Development of Coherent Multi-Frequency Spectroscopy (2013)
  • Author(s): Kazunobu Sato, Shigeaki Nakazawa, Ayaka Tanaka, Tomohiro Yoshino, Kenji Sugisaki, Shinsuke Nishida, Tomoaki Ise, Yasushi Morita, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20131120
  • Invited
• [Presentation] Electron-nuclear spin states of a molecular spin qubit model as studied by single crystal ELDOR-NMR spectroscopy (2013)
  • Author(s): Ayaka Tanaka, Kazunobu Sato, Tomohiro Yoshino, Shinsuke Nishida, Shigeaki Nakazawa, Robabeh Rahimi, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Yasushi Morita, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20131120
• [Presentation] Theoretical Calculation of Zero-Field Splitting Tensor of Organic Molecules Based on the Symmetry-Adapted-Cluster Configuration-Interaction Theory (2013)
  • Author(s): K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, and T. Takui
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20131120
• [Presentation] An Electronic Structure and Spin Dynamics of a Binuclear Rhenium Complex in a Mixed-Valence State as Studied by Single Crystal and Powder Pattern ESR Spectroscopy (2013)
  • Author(s): Takeshi Yamane, Kazunobu Sato, Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Makoto Yoshizawa, Makoto Tadokoro and Takeji Takui
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20131120
• [Presentation] A High-Level ab initio MO Study on the Zero-Field Splitting Tensors of Halogen-Substituted Arylnitrenes (2013)
  • Author(s): K. Sugisaki ほか
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20
  • Invited
• [Presentation] Molecular structures and double quantum transitions of a ground-state triplet iminonitroxide-nitroxide diradical as studied by CW-ESR/pulsed ESR spectroscopy (2013)
  • Author(s): S. Nakazawa ほか
  • Organizer: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20131117-20
  • Invited
• [Presentation] 任意波形マイクロ波を用いたパルスESRによるスピン制御 (2013)
  • Author(s): 佐藤和信・中澤重顕・豊田和男・塩見大輔・森田靖・工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] イミノニトロキシド－ニトロキシド基底三重項ジラジカルの希釈単結晶中の構造および２量子遷移のＥＳＲによる研究 (2013)
  • Author(s): 中澤重顕・河盛萌子・杉崎研司・豊田和男・塩見大輔・佐藤和信・尾向宏介・古井孝宜・倉津将人・鈴木修一・小嵜正敏・岡田惠次・工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] Modified QRO法による零磁場分裂テンソルのスピン軌道項のDFT計算 (2013)
  • Author(s): 杉崎研司・豊田和男・佐藤和信・塩見大輔・北川勝浩・工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] ELDOR-NMR法による量子ビットモデルとしての安定有機ラジカルの電子－核スピン状態評価 (2013)
  • Author(s): 田中彩香・佐藤和信・吉野共広・西田辰介・中澤重顕・Robabeh Rahimi・豊田和男・塩見大輔・森田靖・北川勝浩・工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] 分子スピン量子コンピュータに対する断熱的量子アルゴリズムの適用研究 (2013)
  • Author(s): 山本悟・中澤重顕・杉崎研司・佐藤和信・豊田和男・塩見大輔・北川勝浩・工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] プロトン-電子同期移動を示す混合原子価レニウム二核錯体の単結晶および無秩序配向ESRスペクトルの解析 (2013)
  • Author(s): 山根健史、佐藤和信、杉崎研司、豊田和男、塩見大輔、吉澤真、田所誠、工位武治
  • Organizer: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティー
  • Year and Date: 20131024-20131026
• [Presentation] Pederson-Khanna DFT法による零磁場分裂テンソルのスピン軌道項計算の解析 (2013)
  • Author(s): 杉崎 研司，豊田 和男，佐藤 和信，塩見 大輔，北川 勝浩，工位 武治
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • Year and Date: 20130924-20130927
• [Presentation] 単結晶ELDOR法による量子ビットモデル分子の電子－核スピン状態評価 (2013)
  • Author(s): 田中 彩香，佐藤 和信，吉野 共広，西田 辰介，中澤 重顕，Rahimi Robabeh，豊田 和男，塩見 大輔，森田 靖，北川 勝浩，工位 武治
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • Year and Date: 20130924-20130927
• [Presentation] 分子力学法によるDNAスピンラベル系の分子構造とエネルギー解析 (2013)
  • Author(s): 山本 悟，中澤 重顕，杉崎 研司，厚見 宙志，前川 健典，佐藤 和信，豊田 和男，塩見 大輔，中谷 和彦，北川 勝浩，工位 武治
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • Year and Date: 20130924-20130927
• [Presentation] イミノニトロキシド－ニトロキシド基底三重項ジラジカルのESR二量子遷移のメカニズムの研究 (2013)
  • Author(s): 中澤 重顕，河盛 萌子，杉崎 研司，豊田 和男，塩見 大輔，佐藤 和信，尾向 宏介，古井 孝宜，倉津 将人，鈴木 修一，小嵜 正敏，岡田 恵二，工位 武治
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • Year and Date: 20130924-20130927
• [Presentation] A study of fine-structure tensors and double quantum transitions of nitroxide-substituted iminonitroxide diradicals in magnetically diluted single crystals (2013)
  • Author(s): Shigeaki Nakazawa, Moeko Kawamori, Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Kazunobu Sato, Kosuke Omukai, Takanori Furui, Masato Kuratsu, Shuichi Suzuki, Masatoshi Kozaki, Keiji Okada, Takeji Takui
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] Observations of Novel Quantum Coherence in a High Nuclear Spin Degenerate System by Pulsed ESR Spectroscopy (2013)
  • Author(s): Kazunobu Sato, Akira Ueda, Kenta Yoshida, Shuichi Suzuki, Yasushi Morita, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Kazuhiro Nakasuji, Takeji Takui
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] Heavy atom effects on the zero-field splitting tensors of halogen-substituted arylnitrenes: An ab initio MO study (2013)
  • Author(s): Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] Nitrogen Nuclear Spin Manipulation on a Stable Nitroxide Radical in terms of ELDOR-NMR Technique (2013)
  • Author(s): Ayaka Tanaka, Kazunobu Sato, Tomohiro Yoshino, Shinsuke Nishida, Shigeaki Nakazawa, Robabeh Rahimi, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Yasushi, Morita,Masahiro Kitagawa,Takeji Takui
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] Structure determination of a spin-labeled DNA duplex by pulse ELDOR experiments and molecular mechanics calculations (2013)
  • Author(s): Satoru Yamamoto, Shigeaki Nakazawa, Kenji Sugisaki, Hiroshi Atsumi, Kensuke Maekawa, Kazunobu Sato, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Kazuhiko Nakatani, Masahiro Kitagawa and Takeji Takui
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] An Electronic Structure and Spin Dynamics of a Binuclear Rhenium Complex in a Mixed-Valence State as Studied by ESR Spectroscopy (2013)
  • Author(s): Takeshi Yamane, Kazunobu Sato, Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Makoto Yoshizawa
  • Organizer: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • Place of Presentation: Awaji, Japan
  • Year and Date: 20130616-20130618
• [Presentation] 高スピンナイトレン化合物の零磁場分裂テンソルにおける重原子効果の理論的研究 (2013)
  • Author(s): 杉崎 研司，豊田 和男，佐藤 和信，塩見 大輔，北川 勝浩，工位 武治
  • Organizer: 第16回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 福岡市健康づくりセンター（あいれふ）
  • Year and Date: 20130515-20130517
• [Presentation] 水素結合した混合原子価レニウム二核錯体の単結晶および無秩序配向ESRスペクトルの解析 (2013)
  • Author(s): 山根 健史，佐藤 和信，杉崎 研司，豊田 和男，塩見 大輔，吉澤 真，田所 誠，工位 武治
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • Year and Date: 20130424-20130427
• [Presentation] ESR double quantum transitions revisited: a ground-state triplet nitroxide diradical with sizable ZFS as studied by single-crystal CW/Pulsed ESR spectroscopy (2013)
  • Author(s): S. Nakazawa, M. Kawamori, K. Sugisaki, K. Toyota, D. Shiomi, K. Sato, T. Furui, M. Kuratsu, S. Suzuki, M. Kozaki, K. Okada, and T. Takui
  • Organizer: The 46th Annual International Meeting of the ESR Spectroscopy Group of the Royal Society of Chemistry
  • Place of Presentation: University of Warwick, UK
  • Year and Date: 20130407-20130411
  • Invited
• [Remarks] 分子物理化学研究室
  • URL: http://www.qcqis.sci.osaka-cu.ac.jp/
• [Remarks] Molecular Spin Science for Future Innovation
  • URL: http://www.qcqis.sci.osaka-cu.ac.jp/ms/