東大ら,水分子の量子回転運動をTHz等で検出

東京大学,京都大学,東北大学は,電流計測により水分子の回転運動の検出に成功した(ニュースリリース)。

水分子には2個の水素原子が含まれるが,それらの核スピンの向きが平行(オルソ状態),反平行(パラ状態)の2つの核スピン異性体が存在する。

このオルソ−パラ核スピン異性体間では,エネルギー保存則と角運動量保存則を満たさないと変換が起きないため,宇宙に分布しているオルソとパラの水分子の比率を計測することにより,宇宙の起源を探る研究が行なわれている。

また,最近では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おり,水分子は構造の単純さゆえその応用に適している。しかし,これまでは,水分子どうしが形成する強い水素結合のために,単一の水分子の特性を測定することは困難だった。

研究グループはこれまでに,金属電極に1nm程度の隙間を設け(ナノギャップ電極),その隙間に1分子を捕えた「単一分子トランジスタ構造」を精密に作製する技術を開発してきた。

この技術を用いて,京都大学が合成に成功した単一水分子をカゴ状のC60フラーレン分子内に内包したH2O@C60分子にナノギャップ電極を形成し,単一分子を経由して流れるトンネル電流の計測を可能にするとともに,ナノギャップ電極をアンテナとして用いることにより,テラヘルツ波を照射した時の電流変化(テラヘルツ電磁波誘起電流変化)も測定した。

その結果,C60カゴ分子内で水分子が振動するモードに加えて,約2meV,5meV,7meV 付近に特徴的なコンダクタンスの変化が現れ,このエネルギー位置に,H2O@C60分子は励起状態を持つことがわかった。

過去の研究との比較から,約2meVと7meVの励起はオルソ状態の水分子の回転励起であること,約5meVのピークはパラ状態の水分子の回転励起に対応することがわかった。

ナノギャップ電極により,1個のH2O@C60分子の信号を測定しているにもかかわらず,オルソ状態とパラ状態の信号が同時に見えたことは,測定時間よりも短い時間スケールで,水分子がオルソとパラ状態の間を揺らいでいることを意味している。

これまでの研究から,水分子をC60カゴ分子に閉じ込めると,水分子−C60カゴ分子間の相互作用により,約10時間の時定数でオルソ状態からパラ状態に変換することが知られている。

今回,H2O@C60単一分子トランジスタ内で数分以下の時間スケールで,オルソ−パラ変換が起きるということは,スピンの揺らぎを持って分子内に入ってくる伝導電子と水分子の相互作用によるものと考えられるという。

研究グループは,今回の成果は原子や分子を用いた量子情報処理技術に大きな発展をもたらすものとしている。

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