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 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23350011
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 佐藤 和信 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (90264796)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 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

研究概要

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。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 111 ページ: 2767-2787
  • DOI: 10.1080/00268976.2013.811304
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: A. Ueda, S. Suzuki, K. Yoshida, K. Fukui, K. Sato, T. Takui, K. Nakasuji, and Y. Morita
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 52 ページ: 4795-4799
  • DOI: 10.1002/anie.201301435
  • 査読あり
• [雑誌論文] Indeno[2,1-b]fluorene: A 20 pi electron hydrocarbon with extremely low energy light absorption (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Shimizu, R. Kishi, M. Nakano, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, I. Hisaki, M. Miyata, and Y. Tobe
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 52 ページ: 6076-6079
  • DOI: 10.1002/anie.201302091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ligand-induced electron spin-assembly on a DNA tile (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Atsumi, S. Nakazawa, C. Dohno, K. Sato, T. Takui, and K. Nakatani
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 49 ページ: 6370-6372
  • DOI: 10.1039/c3cc41801d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Magnetic Properties of Nitronyl Nitroxides with an Adjacent Chiral Group (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Tanimoto, S. Suzuki, M. Kozaki, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, and K. Okada
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 87 ページ: 314-322
  • DOI: 10.1246/bcsj.20130264
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and Magnetic Properties of Metal-Complexes from N-t-Butyl-N-oxidanyl-2-amino-(nitronyl nitroxide) (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 53 ページ: 802-809
  • DOI: 10.1021/ic4020898
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota,* Kazunobu Sato,* Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 16 ページ: 9171-9181
  • DOI: 10.1039/c4cp00822g
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 中澤重顕・佐藤和信・森田 靖・工位武治
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 48 ページ: 632-643
  • 査読あり
• [学会発表] 任意波形マイクロ波を用いたパルスESR分光技術 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 和信・中澤 重顕・豊田 和男・塩見 大輔・森田 靖・工位 武治
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉崎 研司・豊田 和男・佐藤 和信・塩見 大輔・北川 勝浩・工位 武治
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • 学会等名: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • 年月日: 20131202-20131206
  • 招待講演
• [学会発表] Organic Open-Shell Systems as Models for Molecular Spin Quantum Computers and Spin Manipulation by Pulsed ESR Technology (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • 年月日: 20131202-20131206
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • 学会等名: The 5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Todai-ji Culture Center, Nara, Japan
  • 年月日: 20131202-20131206
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Manipulation of Electron and Nuclear Spins by Pulsed ESR Technique for Molecular Spin Quantum Computers: Development of Coherent Multi-Frequency Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20131120
  • 招待講演
• [学会発表] Electron-nuclear spin states of a molecular spin qubit model as studied by single crystal ELDOR-NMR spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Tanaka, Kazunobu Sato, Tomohiro Yoshino, Shinsuke Nishida, Shigeaki Nakazawa, Robabeh Rahimi, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Yasushi Morita, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20131120
• [学会発表] Theoretical Calculation of Zero-Field Splitting Tensor of Organic Molecules Based on the Symmetry-Adapted-Cluster Configuration-Interaction Theory (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, and T. Takui
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20131120
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yamane, Kazunobu Sato, Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Makoto Yoshizawa, Makoto Tadokoro and Takeji Takui
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20131120
• [学会発表] A High-Level ab initio MO Study on the Zero-Field Splitting Tensors of Halogen-Substituted Arylnitrenes (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Sugisaki ほか
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular structures and double quantum transitions of a ground-state triplet iminonitroxide-nitroxide diradical as studied by CW-ESR/pulsed ESR spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Nakazawa ほか
  • 学会等名: The Seventh Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 発表場所: Awaji, Hyogo, Japan
  • 年月日: 20131117-20
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤和信・中澤重顕・豊田和男・塩見大輔・森田靖・工位武治
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉崎研司・豊田和男・佐藤和信・塩見大輔・北川勝浩・工位武治
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第52回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー
  • 年月日: 20131024-20131026
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉崎 研司，豊田 和男，佐藤 和信，塩見 大輔，北川 勝浩，工位 武治
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • 年月日: 20130924-20130927
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • 年月日: 20130924-20130927
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • 年月日: 20130924-20130927
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • 年月日: 20130924-20130927
• [学会発表] A study of fine-structure tensors and double quantum transitions of nitroxide-substituted iminonitroxide diradicals in magnetically diluted single crystals (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] Observations of Novel Quantum Coherence in a High Nuclear Spin Degenerate System by Pulsed ESR Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazunobu Sato, Akira Ueda, Kenta Yoshida, Shuichi Suzuki, Yasushi Morita, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Kazuhiro Nakasuji, Takeji Takui
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] Heavy atom effects on the zero-field splitting tensors of halogen-substituted arylnitrenes: An ab initio MO study (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi, Masahiro Kitagawa, and Takeji Takui
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] Nitrogen Nuclear Spin Manipulation on a Stable Nitroxide Radical in terms of ELDOR-NMR Technique (2013)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Tanaka, Kazunobu Sato, Tomohiro Yoshino, Shinsuke Nishida, Shigeaki Nakazawa, Robabeh Rahimi, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Yasushi, Morita,Masahiro Kitagawa,Takeji Takui
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] Structure determination of a spin-labeled DNA duplex by pulse ELDOR experiments and molecular mechanics calculations (2013)
  • 著者名/発表者名: Satoru Yamamoto, Shigeaki Nakazawa, Kenji Sugisaki, Hiroshi Atsumi, Kensuke Maekawa, Kazunobu Sato, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Kazuhiko Nakatani, Masahiro Kitagawa and Takeji Takui
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] An Electronic Structure and Spin Dynamics of a Binuclear Rhenium Complex in a Mixed-Valence State as Studied by ESR Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yamane, Kazunobu Sato, Kenji Sugisaki, Kazuo Toyota, Daisuke Shiomi, Makoto Yoshizawa
  • 学会等名: The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications (1st AWEST 2013)
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 20130616-20130618
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉崎 研司，豊田 和男，佐藤 和信，塩見 大輔，北川 勝浩，工位 武治
  • 学会等名: 第16回理論化学討論会
  • 発表場所: 福岡市健康づくりセンター（あいれふ）
  • 年月日: 20130515-20130517
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）
  • 年月日: 20130424-20130427
• [学会発表] ESR double quantum transitions revisited: a ground-state triplet nitroxide diradical with sizable ZFS as studied by single-crystal CW/Pulsed ESR spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 46th Annual International Meeting of the ESR Spectroscopy Group of the Royal Society of Chemistry
  • 発表場所: University of Warwick, UK
  • 年月日: 20130407-20130411
  • 招待講演
• [備考] 分子物理化学研究室
  • URL: http://www.qcqis.sci.osaka-cu.ac.jp/
• [備考] Molecular Spin Science for Future Innovation
  • URL: http://www.qcqis.sci.osaka-cu.ac.jp/ms/