量子共鳴する動的なマルチ量子センタにおける新規機能の発見・解明と先導的提案

• 研究課題/領域番号: 20K05419
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 金 賢得 京都大学, 理学研究科, 助教 (30378533)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 空孔ダイヤモンド / 量子センサ / 量子ビット / NVダイヤモンド / SiVダイヤモンド / 量子欠陥 / 量子共鳴 / ナノマテリアル / 光励起ダイナミクス / 非平衡水素流動 / 水素－重水素混合系 / 量子センタ

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、マルチ量子センタ間に量子共鳴という新しい量子現象を引き起こすことによって、従来の単一量子センタでは発現しえない新しい特性を発見・解明することである。特に、独自開発してきた光励起第一原理分子動力学法を駆使し、実際に量子計測・情報素子が作動する有限温度や励起状態での「動的なマルチ量子センタ」の学理を解明する。本研究によって、マルチ量子センタが安定に存在し、表面トラップなど表面やナノ構造の悪影響を防げ、長いスピン緩和時間を有し、高輝度・長波長で発光するなど、その機能を最大限に発揮できるマルチ量子センタの最適なデザインを先導的に提示する。

研究成果の概要

SiVダイヤモンドナノスラブ(DNS)の構造、軌道、光物性、振動ダイナミクスに対する外圧の効果を、0Kの基底状態だけでなく、室温付近の励起状態で調べた。室温付近で揺らぐSiV DNSを直接機械的に加圧し、室温のアンビルセルで発生する実際の外圧を模倣した。その結果、圧縮によってSiVの欠陥構造が収縮し、欠陥の軌道エネルギーが再配列、SiV-SiV励起からDNS-SiV励起への光学遷移の切り替え、SiVとDNS-SiVのハイブリッド化が起こることを見出した。吸収、発光、ゼロフォノン線の圧縮による変化は、機械的圧縮によってのみ引き起こされ、温度効果が異なると結論した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

機械的圧縮によって吸収、発光、ゼロフォノン線の温度変化が異なるということは、空孔中心を効果的に制御する新たな方法を提供し、圧縮されたナノスケール材料における温度と圧力のナノスケール光学測定のための有望な単一光子源を提供し得る。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular Sieving of Propyne/Propylene by a Scalable Nanoporous Crystal with Confined Rotational Shutters (2023)
  • 著者名/発表者名: Wan, Jingmeng; Zhou, Hao‐Long; Hyeon‐Deuk, Kim ; Chang, I‐Ya; Huang, Yuhang; Krishna, Rajamani; Duan, Jingui
  • 雑誌名: Angewandte Chemie (International ed.) 巻: 62 号: 52
  • DOI: 10.1002/anie.202316792
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identifying high-grade serous ovarian carcinoma-specific extracellular vesicles by polyketone-coated nanowires (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokoi, A; Ukai, M; Yasui, T; Inokuma, Y; HD, Kim; Matsuzaki, J; Yoshida, K; Kitagawa, M; Chattrairat, K; Iida, M; Shimada, T; Manabe, Y; Chang, IY; Asano-Inami, E; Koya, Y; Nawa, A; Nakamura, K, （他9名）
  • 雑誌名: Sci Adv 巻: 9 号: 27
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade6958
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Controlling the Structure and Photoproperties of SiV Diamond Nanoslab at Room Temperature by External Pressure for Optical Measurements of Temperature and Pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Chang,I-Ya and Hyeon-Deuk,Kim
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 6 号: 11 ページ: 9670-9678
  • DOI: 10.1021/acsanm.3c01357
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quasi-Reversible Photoinduced Displacement of Aromatic Ligands from Semiconductor Nanocrystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Yoshioka, Yusuke Yoneda, I-Ya Chang, Hikaru Kuramochi, Kim Hyeon-Deuk, Yoichi Kobayashi
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 号: 12 ページ: 11309-11317
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c12578
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalously Supercooled H2-D2 Mixtures Flowing inside a Carbon Nano Tube (2023)
  • 著者名/発表者名: I-Ya Chang, Shutaro Yamaoka and Kim Hyeon-Deuk
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 号: 4 ページ: 3232-3239
  • DOI: 10.1039/d2cp04509e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Real-time hydrogen molecular dynamics satisfying the nuclear spin statistics of a quantum rotor (2022)
  • 著者名/発表者名: Hyeon-Deuk Kim、Chang I-Ya
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 5 号: 1 ページ: 168-177
  • DOI: 10.1038/s42004-022-00788-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polyoxocationic antimony oxide cluster with acidic protons (2022)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Y., Hyeon-Deuk K., Yamamoto T.,Yabuuchi M.,,Karakulina O. , Noda Y., Kurihara T., Chang I.-Y., Higashi M., Tomita O., Tassel C., Kato D., Xia J., Goto T., Brown C. M., Shimoyama Y., Ogiwara N., Hadermann J., Abakumov A. M., Uchida S., Abe R., Kageyama H.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 号: 24 ページ: 5379-5379
  • DOI: 10.1126/sciadv.abm5379
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Flow-Induced Autonomic Ordering of Hydrogen Molecules under a Non-Equilibrium Flow (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Yamaoka, I.-Y. Chang and K. Hyeon-Deuk
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 13 ページ: 3579-3585
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct Liquid-Like and Gas-Like Structural and Dynamical Properties in Supercritical Hydrogens (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Yamaoka and K. Hyeon-Deuk
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 23 ページ: 22110-22118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near-Unity Singlet Fission on a Quantum Dot Initiated by Resonant Energy Transfer (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Zhang, H. Sakai, K. Suzuki, T. Hasobe, N. V. Tkachenko, I.-Y. Chang, K. Hyeon-Deuk, H. Kaji, T. Teranishi, M. Sakamoto
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 143 ページ: 17388-17394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast T-Type Photochromism of Colloidal Cu-Doped ZnS Nanocrystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Yulian Han, Morihiko Hamada, I-Ya Chang, Kim Hyeon-Deuk, Yasuhiro Kobori and Yoichi Kobayashi
  • 雑誌名: The Journal of American Chemical Society 巻: 143 ページ: 2239-2249
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Intraband Auger Process in Self-doped Colloidal Quantum Dots (2021)
  • 著者名/発表者名: Joonhyung Lim, Yun Chang Choi, Dongsun Choi, I-Ya Chang, Kim Hyeon-Deuk, Kwang Seob Jeongb, Kyungwon Kwak, and Minhaeng Ch
  • 雑誌名: Matter 巻: 4 ページ: 1072-1086
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlling the Dimension of the Quantum Resonance in CdTe Quantum Dot Superlattices Fabricated via Layer by Layer Assembly (2020)
  • 著者名/発表者名: TaeGi Lee, Kazushi Enomoto, Kazuma Ohshiro, Daishi Inoue, Tomoka Kikitsu, Kim Hyeon-Deuk, Yong Jin Pu, and DaeGwi Kim
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 5471-5471
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decelerated Liquid Dynamics Induced by Component-Dependent Supercooling in Hydrogen and Deuterium Quantum Mixtures (2020)
  • 著者名/発表者名: Shutaro Yamaoka and Kim Hyeon-Deuk
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 ページ: 4186-4192
  • NAID: 120006870325
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coupled electronic states in CdTe quantum dot superlattices fabricated by utilizing chemical bonding between ultrashort ligands (2020)
  • 著者名/発表者名: Yong-Shin Lee, Tatsuya Ito, Kunio Shimura, Taichi Watanabe, Hang-Beom Bu, Kim Hyeon-Deuk, and DaeGwi Kim
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 12 ページ: 7124-7133
  • 査読あり
• [学会発表] Anomalous Properties of Condensed Hydrogen Systems under Extreme Thermodynamic Conditions Revealed by the Non-Empirical Ab Initio Molecular Dynamic Simulation Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyeon-Deuk
  • 学会等名: CCP2021
  • 国際学会
• [学会発表] 量子分子動力学法で探索する水素凝縮系の未知物性-過冷却（低温）から超臨界（高温）まで- (2021)
  • 著者名/発表者名: 金賢得
  • 学会等名: 分子科学会
• [学会発表] Anomalous Properties of Condensed Hydrogen Systems under Extreme Thermodynamic Conditions Revealed by the Non-Empirical Ab Initio Molecular Dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyeon-Deuk
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 量子分子動力学法で探索する水素凝縮系の未知物性ー過冷却（低温）から超臨界（高温）までー (2021)
  • 著者名/発表者名: 金賢得
  • 学会等名: 分子シミュレーション討論会
• [学会発表] Molecular Dynamics and Properties Determined by Nuclear Characters (2021)
  • 著者名/発表者名: 金賢得
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Decelerated Liquid Dynamics Induced by Component-Dependent Supercooling in Hydrogen and Deuterium Quantum Mixtures (2020)
  • 著者名/発表者名: 金賢得
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [備考] くすの木・１２５
  • URL: https://research.kyoto-u.ac.jp/kusunoki125/
• [備考] 京都大学教育研究活動データベース
  • URL: https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile/ja.f01743c57673d6fd.html
• [備考] 京都大学教育研究活動データベース
  • URL: https://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/tZ9fL