神大ら,五重項の室温量子コヒーレンスの観測に成功

神戸大学と九州大学は,室温における五重項状態の量子コヒーレンス観測に初めて成功した(ニュースリリース)。

一重項分裂は,光照射により生成された1分子の励起一重項状態が近傍の分子とエネルギーを共有し,2つの励起三重項状態を生成する現象。

この過程で生じる五重項状態と呼ばれる特殊な量子状態は,量子コンピューティングをはじめとする量子技術の最小単位である量子ビットに利用できることから近年研究が進んでいる。しかし,量子ビットとして利用するにあたり必要とされる,五重項状態の量子コヒーレンスを室温で観測した例はなかった。

研究グループは,一重項分裂により生成された五重項状態の量子コヒーレンスを室温下で初めて観測することに成功した。さらに,五重項状態の量子コヒーレンスを観測可能なほど長時間維持するためには分子の運動を抑制的にすることが重要であることを明らかにし,五重項状態を量子ビットとして用いるための設計指針を示した。

一重項分裂により五重項状態が生成されるためには,分子運動に伴う電子軌道同士間の相互作用の揺らぎが必要となる。しかしながら,量子コヒーレンス自身は分子運動により色素同士の配向が乱雑に変化すると失われてしまう。結果として,分子運動が激しい室温下においては観測するまでの数十ナノ秒の間には量子コヒーレンスが失われてしまい,観測は困難だった。

そこで研究グループは,一重項分裂を起こす代表的な色素であるペンタセンの誘導体を,多孔性金属錯体(MOF)と呼ばれる剛直な構造を持つナノ多孔性材料中に配位子として高密度に導入した。これにより色素の運動を最小限に留め,パルス電子スピン共鳴(ESR)測定により室温で初めて五重項状態の量子コヒーレンスを観測した。

また,スピンの運動について分子配向変化も考慮した量子シミュレーションにより測定結果を再現したところ,色素部位の運動性が抑制され,色素同士の配向の変化が小さいMOFの骨格格子振動が五重項状態の生成と量子コヒーレンスの保持に寄与していることが示唆された。

今回,五重項状態の量子コヒーレンスを利用するには,どのような材料設計が重要なのかが明らかとなった。研究グループは,この研究で用いた多孔性の材料はその内側に他の分子を取り込むことが可能であり,超高感度な量子センシングにつながることが期待されるとしている。

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