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表面場での有機分子と磁性原子による量子ビット二次元配列の構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K26726
補助金の研究課題番号 23H02033 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分35030:有機機能材料関連
研究機関千葉大学

研究代表者

山田 豊和  千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (10383548)

研究分担者 KRUEGER PETER  千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30706362)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)
2025年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2024年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2023年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
キーワード量子スピン / 有機分子 / 磁性原子 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面合成 / NVダイアモンド / 量子ビット
研究開始時の研究の概要

我々は、現在の磁気情報媒体メーカーが広く汎用に使用している真空製膜手法を用いた、次世代・量産型量子材料の開発を目指している。独立した磁性原子を有機分子で架橋し、磁性原子数十個を含むメゾ領域の二次元量子スピン系を基板表面上で人工的に構築する。量子スピン系と電子結合することのない特殊な基板を用いることが肝要である。開発と計測は全て空気の無い超高真空環境にて行う。原子イメージングが可能な走査トンネル顕微鏡装置に可視光とマイクロ波を導入し、量子スピンのラビ振動計測を目指す。

研究実績の概要

情報社会の発展には、これまで2007年ノーベル物理学賞「巨大磁気抵抗効果の発見」に代表されるように「磁石」が大きな貢献を果たしてきた。現在も情報クラウドセンターでは無数の小さな磁石が世界中の情報を「1」「0」に変換し、磁石のN-S極で「1」、S-N極で「0」を保存している。
これに対し、2020年代、急速に発展してきたのが、次世代・量子スピン情報技術である。既に、既存の超電導素子技術を用いた量子コンピューターが実用化している。その最大の利点は、これまでの古典的な磁石では「1」と「0」しか取り扱えなかったが、量子的な磁石ではα|1> + β|0>のように“重ね合わせ”を用いて、無数の情報制御が実現できる点にある。
我々は、未来の量子技術を担う革新的な量子材料開発を実施する。二次元量子スピン系の構築を、有機分子と磁性原子を用いて実現する。古典的な磁石の「磁性」の起源は、磁石内の無数の磁性原子の周期構造と対称性が生み出す電子バンド構造のフェルミ準位近傍でのスピン偏極にある。この磁石を1個の原子まで小さくすると、電子バンド構造は消え全ての電子軌道は離散化し量子スピン状態が構築できる。1個の磁性原子の研究はユニークであるが、熱拡散し耐久性も低く応用には不向きである。量子スピンを如何に堅牢に固定しながら制御できるかが課題である。ダイアモンド中の窒素空孔センターは、堅牢に保護された理想的な量子スピン系の一つである。一方、我々は、現在の磁気情報媒体メーカーが広く使用している真空製膜手法を用いて、NVセンターと類似の次世代の量子材料開発を目指している。独立した磁性原子を有機分子で架橋し、磁性原子数十個を含むメゾ領域の二次元量子スピン系の構築を目指す。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

有機分子と磁性原子による二次元量子スピン系の構築を目指している。
磁性原子間の相互作用を強めたいなら長さの短い1,4-Di(4-pyridyl)benzene(DPB)が良いが、320-330 Kで真空昇華し制御が困難と分かった。そこで、前駆体分子quaterphenyl-4,4-dicarbonitrile (Ph4DN)結晶を合成した。4,4-dibromobiphenylと4-cyanophenylboronic acidを触媒としてpalladium(0)を用いて反応させた(収率: 228 mg, 0.641 mmol, 40%)。その後、再結晶化し(収率: 33.1 mg, 0.0929 mmol, 22%)、1H-NMR (500 MHz, d-chloroform)測定からPh4DN結晶の精製を確認した。精製した結晶を坩堝に入れ、超高真空内にて温度変化による昇華レート測定を行った(0.5 nm/min at 坩堝温度410 K, 2×10-7 Pa)。アレニウスプロットより、昇華エネルギーΔE = 1.68 eVを得た。磁性金属としてCu(111)上での磁気構造が明白なCoを使用した。Cu(111)上にCoを0.2原子層分(MLs)蒸着しCoナノクラスター成長を確認した。二次元量子スピン系の構築にはCoとPh4DNの共蒸着が必要である。双方の蒸着器の芯出しを慎重に行った。中心軸が僅か数 mmずれるだけで蒸着量の制御が困難となる。芯出し後、Cu(111)表面に室温でCoとPh4DNを共蒸着し、その後、ポストアニールした。その結果、Coナノクラスターのみが形成され分子は脱離してしまった。分子吸着時は基板温度を低温にし、Co原子蒸着後に基板温度を室温まで上昇する方式に変更する。

今後の研究の推進方策

(1) 二次元量子スピン系の構築を実現するには、導電性基板では、基板と分子間の電子結合が切れないため本来不適切である。基板との電子結合を切るためIr(111)上のグラフェン作製を実施する。プレ実験として、清浄化したIr(111)を1200K以上に加熱しながらC2H4分子を照射し化学気相成長にてグラフェンが作製できる事を電子線回折スポットより確認した。今後、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて精密な構造解析を進める。
(2) 理想的には、NVダイアモンドと同じような量子スピン構造を二次元系で実現したい。そのためには、磁性原子周りに有機分子が配位した際の量子スピン構造の予測と理解が不可欠である。そこで、Gaussian16計算でCo原子周りにPh4DNがC2, C3, C4対称で配位した際、スピン多重度、価数を変化させ、エネルギー的に最安定な状態を既に探ってきている。今後、さらに第一原理計算を用いて詳細を詰めていく。
(3) 量子スピン検出を行うには、光照射による初期化と、マイクロ波パルスによる量子スピン状態の制御が不可欠である。光とマイクロ波の導入を、我々が使用している走査トンネル顕微鏡(STM)装置に組み込む。そのため、プレ実験として、可視光とマイクロ波によるダイヤモンド内のNVセンター量子スピン状態の光学磁気共鳴計測を実施し観測に成功した。今後、この技術を超高真空STM装置へ組み込む。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (35件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 10件、 招待講演 3件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] 台湾國立清華大学(台湾)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] カールスルーエ工科大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] マドリード自治大学(スペイン)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] On-surface growth of transition-metal cobalt nanoclusters using a 2D crown-ether array2024

    • 著者名/発表者名
      Yamada Toyo Kazu、Nemoto Ryohei、Nishino Fumi、Hosokai Takuya、Wang Chi-Hsien、Horie Masaki、Hasegawa Yuri、Kera Satoshi、Kruger Peter
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry C

      巻: 12 号: 3 ページ: 874-883

    • DOI

      10.1039/d3tc03339b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Growth of Transition-Metal Cobalt Nanoclusters on 2D Covalent Organic Frameworks2024

    • 著者名/発表者名
      Yamada Toyo Kazu、Kanazawa Shingo、Fukutani Keisuke、Kera Satoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 128 号: 3 ページ: 1477-1486

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c07435

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Designing 2D stripe winding network through crown-ether intermediate Ullmann coupling on Cu(111) surface2024

    • 著者名/発表者名
      Yamada Toyo Kazu、Nemoto Ryohei、Ishii Haruki、Nishino Fumi、Chang Yu-Hsin、Wang Chi-Hsien、Kr?ger Peter、Horie Masaki
    • 雑誌名

      Nanoscale Horizons

      巻: - 号: 5 ページ: 718-730

    • DOI

      10.1039/d3nh00586k

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Magnetic Imaging Utilizing Spin-Polarized STM and Zero-Bias Anomaly of Quantum Spin on Insulating Surface2024

    • 著者名/発表者名
      Kyosei Ishii and Toyo Kazu Yamada
    • 学会等名
      The 34th Joint Inter-laboratory Workshop on Nano-magnetics (JIWON)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] On-Surface Growth of Transition-Metal Nanoclusters Using 2D Covalent Organic Frameworks2024

    • 著者名/発表者名
      Toyo Kazu Yamada
    • 学会等名
      The International Conference on Materials Science, Engineering & Technology
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 走査トンネル顕微鏡と量子スピン顕微鏡による 磁性薄膜の原子レベル磁気観察2024

    • 著者名/発表者名
      山田豊和
    • 学会等名
      日本表面真空学会SP部会研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] クラウンエーテル環状分子膜を使ったフェロセン単分子STM観察と二次元結晶成長2024

    • 著者名/発表者名
      山田 豊和, 堀江 正樹,
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] トラップ機能を有する二次元自己組織化分子膜を用いたコバルトナノ粒子の作製2024

    • 著者名/発表者名
      山田 豊和, 堀江 正樹, 解良 聡, Peter Krueger,
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二次元超伝導原子層表面での電荷密度波とYSR状態のSTM/STS研究2024

    • 著者名/発表者名
      市川 稜, Amadeo L. Vazquez de Parga, 山田 豊和
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会,
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fe(001)上のMnTe薄膜のSTM/STS研究2024

    • 著者名/発表者名
      関 温杜,柏木 知弥,山田 豊和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 単分子磁石が発現する絶縁MgO膜/O/Fe(001)上のゼロバイアスピーク2024

    • 著者名/発表者名
      石井 響誠,ナナ ナズリク, 山田 豊和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Indigo/TTC界面における分子配向とトランジスタ特性2024

    • 著者名/発表者名
      田上 功己, 堀川 英寿, 山田 豊和, 石井 久夫, 宮前 孝行
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ラビングしたポリイミド薄膜の配向が液晶分子の配向に及ぼす影響2024

    • 著者名/発表者名
      仲野 綾,堀川 英寿, 山田 豊和, 宮前 孝行
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Engineering zero-bias anomaly on insulating surface2024

    • 著者名/発表者名
      Toyo Kazu Yamada, Kyosei Ishii, and Nana Nazriq
    • 学会等名
      Electron Spectroscopy Theory Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Zero-Bias Anomaly of Insulating MgO Ultrathin Film on Fe(001)2024

    • 著者名/発表者名
      T. K. Yamada
    • 学会等名
      International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices in Winter 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fe3GeTe2原子層磁石の表面電子構造研究2024

    • 著者名/発表者名
      赤松 瞬, 市川 稜, 石井 榛, Wulf Wulfhekel, Amir-Abbas Haghighirad, 益井 絵美里, 稲見 栄一, 山田 豊和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 角度分解スピン偏極走査トンネル顕微鏡の開発2024

    • 著者名/発表者名
      柏木 知弥, 関 温杜, 山田 豊和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 可視光とマイクロ波による量子スピン検出搭載STM の開発2024

    • 著者名/発表者名
      アフマド ヤヒヤ 光紀, 石井 響誠, 堀川 英寿, 山田 豊和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Growth of ultrathin MnTe monolayer films on Fe(001) utilizing STM/STS combined with DFT2024

    • 著者名/発表者名
      Haruto Seki, Kenji Nawa, and Toyo Kazu Yamada
    • 学会等名
      Electron Spectroscopy Theory Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] XMCD, STM/STS, and AFM/KPFM study on layered ferromagnet Fe3GeTe2 surface,2024

    • 著者名/発表者名
      Haruki Ishii, Ryo Ichikawa, Shun Akamatshu, Amir-Abbas Haghighirad, Toshio Miyamachi, Toshihiko Yokoyama, Emiri Masui, Eiichi Inami, Wulf Wulfhekel, and Toyo Kazu Yamada
    • 学会等名
      Electron Spectroscopy Theory Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] STM study of anomaly CDW formation on layered material NbSe22024

    • 著者名/発表者名
      市川 稜, 山田 豊和
    • 学会等名
      Nanospec2023 - Frontier of Nano & Atomic Scale Characterization
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Zero-Bias Anomaly on Insulating MgO Surface Prepared on O/Fe(001)2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ishii, N. K. M. Nazriq, and T. K. Yamada
    • 学会等名
      The 31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Transition-Metal Cobalt Nanocluster Formation on 2D Covalent Organic Frameworks2023

    • 著者名/発表者名
      Toyo Kazu Yamada, Keisuke Fukutani, and Satoshi Kera
    • 学会等名
      2023年日本表面真空学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fe(110)上のMn超薄膜に生じるストライプ構造2023

    • 著者名/発表者名
      山田豊和,稲見栄一,クリューガー ピーター
    • 学会等名
      日本磁気学会第47回学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 表面場を用いた新たな低次元分子磁性体の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山田豊和
    • 学会等名
      応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会 研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] On-Surface Synthesis of 2D-MOF using Transition Metal Magnets2023

    • 著者名/発表者名
      H. Ishii, S. Kanazawa, and T. K. Yamada
    • 学会等名
      The 31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ナノ多孔質膜への分子磁石吸着によるハニカム磁気格子開発2023

    • 著者名/発表者名
      堀川 英寿, 張 郁欣, 堀江 正樹, 山田 豊和
    • 学会等名
      日本化学会秋季事業 第13回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 有機分子と磁性金属による新規トポロジカル磁気格子の開発2023

    • 著者名/発表者名
      石井榛, 陳奎丞, 堀江正樹, 山田豊和
    • 学会等名
      日本化学会秋季事業 第13回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層間反強磁性Mn(001)超薄膜を用いた原子層磁石の開発2023

    • 著者名/発表者名
      関温杜,柏木知弥,山田豊和,
    • 学会等名
      日本磁気学会第47回学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Growth of Atomically Flat Insulating MgO Films on Fe(001) using Interface Oxygen Pre-Coating2023

    • 著者名/発表者名
      Toyo Kazu Yamada, Nana Nazriq1, Kyosei Ishii1, Peter Krueger
    • 学会等名
      13th Joint European Magnetic Symposium (JEMS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 山田豊和研究室ホームページ

    • URL

      https://adv.chiba-u.jp/nano/yamada-upload/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] ChibaDai Next

    • URL

      https://www.cn.chiba-u.jp/researcher/yamada_toyokazu/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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