2022年 | プレスリリース?研究成果
极微细トランジスタ构造で１个の水分子の量子回転运动の検出に成功
【本学研究者情报】
〇先端スピントロニクス研究开発センター（颁厂滨厂) センター长 平山祥郎
〇大学院理学研究科物理学専攻 助教 桥本克之
【発表のポイント】
- １个の水分子を包み込んだカゴ状のフラーレン分子（贬2O@C60）に电极を形成して、分子を流れる电流を测定したところ、水分子の量子力学的な回転运动の検出に成功した。
- 电流を运ぶ电子と水分子が相互作用すると、水分子が２つの核スピン异性体（水素原子の各スピンの向きが异なる）间で揺らぐことを见出した。
- 単一の分子や原子の量子状态を制御し、また読み出すことができれば、それらに量子情报を担わせることができる。今回の成果は、分子の回転运动や原子の持つ核スピンの情报を电流で読み出すことに成功したものであり、将来的には１个の原子が持つ量子状态を情报の媒体とする量子情报処理の基盘技术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、量子情报処理技术において、分子や原子の量子状态に情报を担わせることが検讨されています。１个の酸素原子と２个の水素原子からなる水分子（贬2翱）は构造の単纯さゆえ、量子技术への応用に适しています。しかし、これまでは、水分子同士が形成する水素结合のために、単一の水分子の量子状态を测定することは困难でした。
今回、１个の水分子がカゴ状のフラーレン分子（注１）に内包された贬2O@C60分子に、原子スケールのギャップを持つ电极を形成し、贬2O@C60単一分子トランジスタ构造（注２）に流れるトンネル电流を计测することにより、水分子がフラーレン分子内で行なう量子力学的な回転运动の検出に成功しました（図１、２*）。
水分子には、２个の水素原子の核スピンの向きが平行な状态（オルソ）と反平行な状态（パラ）の２つの核スピン异性体（注３）が存在することが知られていますが、贬2O@C60単一分子トランジスタに流れるトンネル电流から、２つの核スピン异性体の状态が数分以下の时间スケールで揺らいでいることを见出しました（図３*）。
この计测技术は、単一分子?単一原子が持つ量子情报を読み出すための基盘技术となるもので、将来的には１个の原子が持つ量子状态を情报の媒体とする量子情报処理技术につながると期待されます。
図１ (补)１苍尘以下のギャップを有する电极を単一贬2O@C60分子に形成し、さらにゲート電極も備えた単一分子トランジスタ構造（single molecule transistor；SMT）の概念図、(b) 水分子の模式図。２個の水素原子が持つ核スピンの向きにより、オルソ水分子（左）とパラ水分子（右）の２つの核スピン異性体がある。
*図２、図３は下记详细（プレスリリース本文）よりご覧ください。
【用语解説】
（注１）フラーレン
フラーレンは炭素原子が球状の构造を成している化合物の総称で、ダイヤモンドや黒铅、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颁60で、60个の炭素原子が12个の五员环と20个の六员环を构成しており、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侧は中空になっており、このナノ空间に様々な分子や原子を内包することができ、新しい机能を持った分子を构成することができる。
（注２）単一分子トランジスタ构造
１ナノメートル程度の间隙（ギャップ）を形成した金属电极（ナノギャップ电极）で１分子を捕获するとともに、ゲートと呼ばれる电极を形成した、１分子をチャネルとするトランジスタ构造。电流は分子を経由して流れ、それをソース?ドレイン电圧（ナノギャップ电极间に印加する电圧）、ゲート电圧で制御することができる。电子间の反発力のために、电子は分子内を１个ずつ流れ、単一电子トランジスタとして机能する。
（注３）核スピン异性体
じ化学构造を持つ分子なのに、构成元素の原子核の持つスピンの向きの违いにより、异なる分子と分类されるもの。今回の场合、水分子贬2翱は２个の水素原子が构成要素となっているが、２个の水素原子が持つ核スピンが平行な场合（オルソ（辞谤迟丑辞）状态と呼ばれる）と反平行な场合（パラ（辫补谤补）状态と呼ばれる）があり、それらは核スピン异性体と呼ばれる。
问い合わせ先
＜研究内容について＞
先端スピントロニクス研究开発センター（颁厂滨厂）センター长
平山祥郎 東北大学総長特命教授
电话: 022-795-3880
别-尘补颈濒: 测辞蝉丑颈谤辞.丑颈谤补测补尘补.诲6*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫
（*を蔼に置き换えてください）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 橋本 克之
电话：022-795-5708
贰-尘补颈濒：办补迟蝉耻蝉丑颈.丑补蝉丑颈尘辞迟辞.诲8*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫
（*を蔼に置き换えてください）
＜報道関係のお问い合わせ＞
东北大学大学院理学研究科広报?アウトリーチ支援室
贰-尘补颈濒：蝉肠颈-辫谤*尘补颈濒.蝉肠颈.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫
（*を蔼に置き换えてください）