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

• 研究領域: π造形科学: 電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出
• 研究課題/領域番号: 26102017
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 多田 朋史 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 准教授 (40376512)
• 研究分担者: 南谷 英美 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (00457003)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2015年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2014年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)
• キーワード: 分子スピン / 量子輸送 / 第一原理計算 / 量子ビット / 単分子コンタクト / 量子輸送特性 / 量子ダイナミクス / 分子集積 / 分子集積体 / 分子接合 / π伝導チャネル / 量子情報 / 励起状態

研究成果の概要

現在のコンピュータの性能をはるかに凌駕する未来の計算機として量子コンピュータの研究が精力的になされているが、そこに必要とされる量子計算ユニット（量子ビット）数の飛躍的向上が望まれている。本研究では表面上吸着分子の自己組織性を利用した分子スピン集積系（量子ビット集積系）を提案し、その単一の分子ユニットに求められる分子特性としてスピン状態の安定保持と確実な状態操作性をもつ分子を理論的に設計した。同領域の実験グループにより具体的な分子が合成され、必要とされる分子特性をその分子が有していることを実証するに至った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

量子コンピュータの可能性に注目が集まっている今日において、量子コンピュータの情報ユニットである量子ビットの数を現状のものから飛躍的に増大させることが必要とされている。本研究は、量子ビット数の飛躍的増大を実現するための方向性として、分子のもつ特性である表面上自己組織性に注目し、その集積化された構造により量子コンピューティングを達成しようとする研究である。表面上分子が量子ビットとして利用される際に必要とされる条件を明確化し、本研究にて具体的分子の設計と共同実験研究者による分子合成に至ったことは、今後における新しい方向性を打ち出した研究と位置付けることが出来る。

研究成果

• [国際共同研究] Graz University of Technology(オーストリア)
• [国際共同研究] Heidelberg University(ドイツ)
• [国際共同研究] The Hebrew University of Jerusalem(イスラエル)
• [雑誌論文] Anionic Stannaferrocene and Its Unique Electronic State (2019)
  • 著者名/発表者名: Saito Masaichi、Matsunaga Naoki、Hamada Jumpei、Furukawa Shunsuke、Tada Tomofumi、Herber Rolfe H.
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 48 号: 2 ページ: 163-165
  • DOI: 10.1246/cl.180880
  • NAID: 130007590723
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First-Principles Study of the Adsorption Behavior of Triptycene Molecular Tripods on Au(111): Site-Selectivity and Unambiguous Molecular Orientation (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tada, F. Ishiwari, Y. Shoji, T. Fukushima
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 123 号: 7 ページ: 4401-4406
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b00869
  • 査読あり
• [雑誌論文] Triptycene Tripods for the Formation of Highly Uniform and Densely Packed Self-Assembled Monolayers with Controlled Molecular Orientation (2019)
  • 著者名/発表者名: F. Ishiwari, G. Nascimbeni, E. Sauter, H. Tago, Y. Shoji, S. Fujii, M. Kiguchi, T. Tada, M. Zharnikov, E. Zojer, T. Fukushima
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 141 号: 14 ページ: 5995-6005
  • DOI: 10.1021/jacs.9b00950
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Wave-packet multi-scale simulations based on a non-linear tight-binding Hamiltonian for carrier transport in π-conjugated polymers (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 雑誌名: Materials Chemistry Frontiers 巻: 印刷中 号: 7 ページ: 1351-1359
  • DOI: 10.1039/c7qm00591a
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Doping” of Polyyne with an Organometallic Fragment Leads to Highly Conductive Metallapolyyne Molecular Wire (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuya、Kato Yuya、Tada Tomofumi、Fujii Shintaro、Kiguchi Manabu、Akita Munetaka
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 32 ページ: 10080-10084
  • DOI: 10.1021/jacs.8b04484
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ring shape-dependent self-sorting of pillar[n]arenes assembled on a surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogoshi T, Takashima S, Inada N, Asakawa H, Fukuma T, Shoji Y, Kajitani T, Fukushima T, Tada T, Dotera T, Kakuta T, Yamagishi T
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 1 号: 1 ページ: 92-92
  • DOI: 10.1038/s42004-018-0094-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CO-tip manipulation using repulsive interactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Nana K M Nazriq, E Minamitani, and T K Yamada
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 29 号: 49 ページ: 495701-495701
  • DOI: 10.1088/1361-6528/aae0df
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Stable, Soluble, and Crystalline Supramolecular System with a Triplet Ground State (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Futagoishi, Tomoko Aharen, Tatsuhisa Kato, Azusa Kato, Toshiyuki Ihara, Tomofumi Tada, Michihisa Murata, Atsushi Wakamiya, Hiroshi Kageyama, Yoshihiko Kanemitsu, and Yasujiro Murata
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: in press 号: 15 ページ: 4261-4265
  • DOI: 10.1002/anie.201701212
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Triphosphasumanene Trisulfide: High Out-of-Plane Anisotropy and Janus-Type π-Surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Furukawa, Yuki Suda, Junji Kobayashi, Takayuki Kawashima, Tomofumi Tada, Shintaro Fujii, Manabu Kiguchi, Masaichi Saito
  • 雑誌名: Journal of the Americal Chemical Society 巻: 139 号: 16 ページ: 5787-5792
  • DOI: 10.1021/jacs.6b12119
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical prediction of phonon-mediated superconductivity with Tc about 25 K in Li-intercalated h-BN bilayer (2017)
  • 著者名/発表者名: N. H. Shimada, E. Minamitani, S. Watanabe
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 10 号: 9 ページ: 0931011-4
  • DOI: 10.7567/apex.10.093101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single Molecule Quantum Dot as a Kondo Simulator (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Hiraoka, E. Minamitani, R. Arafune, N. Tsukahara, S. Watanabe, M. Kawai, N. Takagi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1 ページ: 16012-16012
  • DOI: 10.1038/ncomms16012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atomic-scale characterization of the interfacial phonon in graphene/SiC (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Minamitani, R. Arafune, T. Frederiksen, T. Suzuki, S. M. F. Shahed, T. Kobayashi, N. Endo, H. Fukidome, S. Watanabe, T. Komeda,
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 号: 15 ページ: 155431-155431
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.155431
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Resolving metal-molecule interfaces at single-molecule junctions (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Komoto, S. Fujii, H. Nakamura, T. Tada, T. Nishino, M. Kiguchi
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 6 号: 1 ページ: 26606-26606
  • DOI: 10.1038/srep26606
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rashba Splitting in Image Potential State Investigated Using Circular Dichroism Two-Photon Photoemission Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Nakazawa, N. Takagi, M. Kawai, H. Ishida, R. Arafune
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 117 号: 20 ページ: 205402-205402
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.205402
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface phonon excitation on clean metal surfaces in scanning tunneling microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Minamitani, R. Arafune, N. Tsukahara, Y. Ohda, S. Watanabe, M. Kawai, H. Ueba, N. Takagi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 8 ページ: 085411-085411
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.085411
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Organometallic Molecular Wires as Versatile Modules for Energy-Level Alignment of the Metal-Molecule-Metal Junction (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Sugimoto, Y. Tanaka, S. Fujii, T. Tada, M. Kiguchi, M. Akita
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 52 号: 34 ページ: 5796-5799
  • DOI: 10.1039/c6cc01705c
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rectifying electron-transport properties through stacks of aromatic molecules inserted into a self-assembled cage (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Fujii, T. Tada, Y. Komoto, T. Osuga, T. Murase, M. Fujita, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 号: 18 ページ: 5939-5947
  • DOI: 10.1021/jacs.5b00086
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spatially extended underscreened Kondo state from collective molecular spin (2015)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani, Ying-Shuang Fu, Qi-Kun Xue, Yousoo Kim, Satoshi Watanabe
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 7 ページ: 075144-075144
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.075144
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular design of electron transport with orbital rule: toward conductance-decay free molecular junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tada and K. Yoshizawa
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 17 号: 48 ページ: 32099-32110
  • DOI: 10.1039/c5cp05423k
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Theoretical studies on a single molecular spin contact for quantum information processing (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: Nature conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 準局在状態間トンネル伝導に関する理論的研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 多田 朋史
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] 電子相関とスピン軌道相互作用が織りなす多様な吸着分子磁性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 南谷 英美
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 非弾性分光で探る表面界面の素励起：理論的側面を中心に (2019)
  • 著者名/発表者名: 南谷 英美
  • 学会等名: 第17回SPring-8ユーザー協同体顕微ナノ材料科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸素内包フラーレン型分子におけるゼロ磁場分裂の第一原理計算 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田秀祐・二子石師・村田靖次郎・多田朋史
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] Theoretical study on electron transport through organometallic molecular wires (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: International Conference on Coordination Chemistry 2018 (ICCC2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算による電子フォノン相互作用解析とその応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 南谷 英美
  • 学会等名: 第二回フォノンエンジニアリング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Full Atomistic Kinetic Monte Carlo with Direct Counting Approach for Ion Dynamics in Electrochemical Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: 233rd ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 単分子コンダクタンスの分子鎖長依存性に関する解析的分子軌道を用いた理論解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菅野志優，多田朋史
  • 学会等名: 日本化学会新領域ナノスケール分子デバイス第7 回若手セミナー
• [学会発表] 第一原理計算及びモンテカルロシミュレーションを用いたπスタック分子吸着における分子配向の基板依存性の理論的検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西山航平，多田朋史
  • 学会等名: 日本化学会新領域ナノスケール分子デバイス第7 回若手セミナー
• [学会発表] Controlling the competition between Kondo effect and spin-orbit interaction in a single molecule by atomic manipulation (2018)
  • 著者名/発表者名: E. Minamitani, R. Hiraoka, R. Arafune, N. Tsukahara, S. Watanabe, M. Kawai and N. Takagi
  • 学会等名: DPG March meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic-Scale Investigation of the Interfacial Phonon at Graphene/SiC (2017)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani
  • 学会等名: 5th Ito International Research Conference, RIKEN Central Anniversary & Surface and Interface Spectroscopy 2017
  • 招待講演
• [学会発表] 単一スピン制御のための単分子コンタクトの理論的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 多田 朋史
  • 学会等名: 日本化学会
  • 招待講演
• [学会発表] 吸着分子におけるスピン物性の理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 南谷 英美
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Topics on Orbital Rule for Single Molecular Conductance (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: Fujihara Seminar-70
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Study on a Single Molecular Spin Control and Detection for Quantum Information Processing (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: OCUIC-2016 Molecular Spins and Quantum Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multiscale simulation for carrier mobility of micro-meter scale pi-conjugated molecular wire (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 学会等名: 24th-International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM24)
  • 国際学会
• [学会発表] Competition between spin-orbit interaction and Kondo effect in Fe-phthalocyanine molecule on Au(111) (2016)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani
  • 学会等名: Pre-conference of ICMM2016
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hybrid density functional study on electron transport though π-stack molecular junctions for high conductance (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tada
  • 学会等名: PacifiCHEM2015
  • 発表場所: Hawaii Convention Center
  • 年月日: 2015-12-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] イオン輸送と電子輸送に関する 第一原理計算からの マルチスケールシミュレーション (2015)
  • 著者名/発表者名: 多田朋史
  • 学会等名: High Performance Computing Chemistry (HPCC) -2015-
  • 発表場所: 理化学研究所 計算科学研究機構
  • 年月日: 2015-12-01
  • 招待講演
• [学会発表] 有機高分子ワイヤーの量子波束散乱シミュレーションの現状と今後について (2015)
  • 著者名/発表者名: 多田朋史
  • 学会等名: 数理構造保存を接点とした数学・HPC・実科学のクロスオーバー
  • 発表場所: 電気通信大学
  • 年月日: 2015-11-24
• [学会発表] Nobel Kondo effects in single molecules on metal surfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani
  • 学会等名: Studying the Function of Soft Molecular Systems by the Concerted Use of Theory and Experiment The 12th Workshop
  • 発表場所: National Institute for Material Sciences (NIMS)
  • 年月日: 2015-10-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wave packet scattering simulations for spin dependent transport in molecular-spin junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tada
  • 学会等名: CT-NanoSim2015
  • 発表場所: Tsukuba Univ.
  • 年月日: 2015-09-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DFT+NRG studies on the spatially extended Kondo effect in MnPc/Pb(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani, Yingshuang Fu, Qikun Xue, Yousoo Kim, Satoshi Watanabe
  • 学会等名: Psi-k
  • 発表場所: SAN SEBASTIAN
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] 電子伝導とイオン伝導に関する第一原理計算からのマルチスケールシミュレーション (2015)
  • 著者名/発表者名: 多田朋史
  • 学会等名: 第28期CAMMフォーラム
  • 発表場所: アイビーホール, 東京
  • 年月日: 2015-05-15
  • 招待講演
• [学会発表] πスタック単分子架橋系の量子輸送計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 多田朋史
  • 学会等名: 日本化学会第95春季年会
  • 発表場所: 日大船橋キャンパス
  • 年月日: 2015-03-26
  • 招待講演
• [学会発表] Underscreened Kondo state of collective molecular spin in Mn-Phthalocyanine on Pb(111) (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Minamitani, Y. Fu, Q.-K. Xue, Y. Kim, and S. Watanabe
  • 学会等名: International Symposium on Computics: Quantum Simulation and Design
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2014-12-01
  • 国際学会
• [学会発表] π造形科学：電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出 (2014)
  • 著者名/発表者名: 多田朋史, 福島孝典
  • 学会等名: 第8回物性科学領域横断研究会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2014-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] DFT+NRG studies on novel Kondo effects in single molecules on metal surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani
  • 学会等名: The 17th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 2014-11-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Underscreened Kondo effect of the collective spin state in Mn-phthalocyanine on Pb(111) (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Minamitani, Y. Fu, Q.-K. Xue, Y. Kim, and S. Watanabe
  • 学会等名: ISSS-7 (The 7th International Symposium on Surface Science)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2014-11-02
  • 国際学会
• [学会発表] Kondo effects in single molecules on metal surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: Emi Minamitani
  • 学会等名: Spintronics and Magnetochemistry on the Atomic and Molecular Level
  • 発表場所: Ascona, Switzerland
  • 年月日: 2014-10-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Single‐Molecule Electronics ‐ An Introduction to Synthesis, Measurement, and Theory, Ch.7: Orbital rule for electron transport of molecular junctions (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomofumi Tada
  • 総ページ数: 24
  • 出版者: Springer