【本学研究者情報】

〇先端スピントロニクス研究開発センター（CSIS)　センター長　平山祥郎
研究室ウェブサイト

〇大学院理学研究科物理学専攻　助教　橋本克之
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• １個の水分子を包み込んだカゴ状のフラーレン分子（H₂O@C₆₀）に電極を形成して、分子を流れる電流を測定したところ、水分子の量子力学的な回転運動の検出に成功した。
• 電流を運ぶ電子と水分子が相互作用すると、水分子が２つの核スピン異性体（水素原子の各スピンの向きが異なる）間で揺らぐことを見出した。
• 単一の分子や原子の量子状態を制御し、また読み出すことができれば、それらに量子情報を担わせることができる。今回の成果は、分子の回転運動や原子の持つ核スピンの情報を電流で読み出すことに成功したものであり、将来的には１個の原子が持つ量子状態を情報の媒体とする量子情報処理の基盤技術につながると期待される。

【概要】

東京大学 生産技術研究所の平川 一彦 教授、杜 少卿 特任助教、京都大学 化学研究所の村田 靖次郎 教授、橋川 祥史 助教、東北大学 先端スピントロニクス研究開発センターの平山 祥郎 総長特命教授、東北大学 大学院理学研究科の橋本 克之 助教を中心とする研究グループは、電流計測により水分子の回転運動の検出に成功しました。

近年、量子情報処理技術において、分子や原子の量子状態に情報を担わせることが検討されています。１個の酸素原子と２個の水素原子からなる水分子（H₂O）は構造の単純さゆえ、量子技術への応用に適しています。しかし、これまでは、水分子同士が形成する水素結合のために、単一の水分子の量子状態を測定することは困難でした。

今回、１個の水分子がカゴ状のフラーレン分子（注１）に内包されたH₂O@C₆₀分子に、原子スケールのギャップを持つ電極を形成し、H₂O@C₆₀単一分子トランジスタ構造（注２）に流れるトンネル電流を計測することにより、水分子がフラーレン分子内で行なう量子力学的な回転運動の検出に成功しました（図１、２*）。

水分子には、２個の水素原子の核スピンの向きが平行な状態（オルソ）と反平行な状態（パラ）の２つの核スピン異性体（注３）が存在することが知られていますが、H₂O@C₆₀単一分子トランジスタに流れるトンネル電流から、２つの核スピン異性体の状態が数分以下の時間スケールで揺らいでいることを見出しました（図３*）。

この計測技術は、単一分子・単一原子が持つ量子情報を読み出すための基盤技術となるもので、将来的には１個の原子が持つ量子状態を情報の媒体とする量子情報処理技術につながると期待されます。

*図２、図３は下記詳細（プレスリリース本文）よりご覧ください。

【用語解説】

（注１）フラーレン
フラーレンは炭素原子が球状の構造を成している化合物の総称で、ダイヤモンドや黒鉛、カーボンナノチューブと同様に炭素の同素体である。フラーレンを代表する化合物はC₆₀で、60個の炭素原子が12個の五員環と20個の六員環を構成しており、サッカーボールのような形をした分子である。フラーレン分子の内側は中空になっており、このナノ空間に様々な分子や原子を内包することができ、新しい機能を持った分子を構成することができる。

（注２）単一分子トランジスタ構造
１ナノメートル程度の間隙（ギャップ）を形成した金属電極（ナノギャップ電極）で１分子を捕獲するとともに、ゲートと呼ばれる電極を形成した、１分子をチャネルとするトランジスタ構造。電流は分子を経由して流れ、それをソース・ドレイン電圧（ナノギャップ電極間に印加する電圧）、ゲート電圧で制御することができる。電子間の反発力のために、電子は分子内を１個ずつ流れ、単一電子トランジスタとして機能する。

（注３）核スピン異性体
じ化学構造を持つ分子なのに、構成元素の原子核の持つスピンの向きの違いにより、異なる分子と分類されるもの。今回の場合、水分子H₂Oは２個の水素原子が構成要素となっているが、２個の水素原子が持つ核スピンが平行な場合（オルソ（ortho）状態と呼ばれる）と反平行な場合（パラ（para）状態と呼ばれる）があり、それらは核スピン異性体と呼ばれる。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

＜研究内容について＞
先端スピントロニクス研究開発センター（CSIS）センター長
平山祥郎 東北大学総長特命教授
電話:　022-795-3880
e-mail:　yoshiro.hirayama.d6*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

東北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 橋本 克之
電話：022-795-5708
E-mail：katsushi.hashimoto.d8*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

＜報道関係のお問い合わせ＞
東北大学大学院理学研究科広報・アウトリーチ支援室
E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）