極微細トランジスタ構造で１個の水分子の量子回転運動の検出に成功

　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。

　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。

　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。

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