多孔性金属錯体 (MOF) 中の電子スピンの光検出を初めて実証 ―高感度なケミカル量子センシングに向けた重要な一歩―

2026-10-09 東京大学

東京大学大学院理学系研究科などの研究チームは、多孔性金属錯体(MOF)内部に生成した電子スピンを、光検出磁気共鳴(ODMR)法によって検出することに初めて成功した。研究では、ポルフィリン誘導体を有機配位子として組み込んだMOFを合成し、光照射によって生じる励起三重項の電子スピンを調べた。時間分解発光測定や電子スピン共鳴測定に加え、マイクロ波照射による発光強度の変化を測定することで、スピン状態を光学的に読み出せることを実証した。スピンの緩和時間は条件に応じて約0.78マイクロ秒から数マイクロ秒であり、量子センシングへの応用に必要な量子コヒーレンスを保持できることも示された。MOFは細孔内に化学物質を取り込め、金属イオンや配位子の設計によって機能を調整できる。本成果は、化学物質の高感度検出や、分子設計の自由度を生かした量子センサーの開発につながると期待される。

多孔性金属錯体 (MOF) 中の電子スピンの光検出を初めて実証 ―高感度なケミカル量子センシングに向けた重要な一歩―
MOF 中の励起三重項スピンの光検出

<関連情報>

金属有機構造体中の光学的に制御可能なスピン Optically Addressable Spins in a Metal–Organic Framework

Miku Inoue;Wataru Ishii;Thomas W. Bradbury;Hiroki Nagashima;Alistair Inglis;Yoshitaka Aoyama;Yusuke Nishiyama;Mizue Asada;Toshikazu Nakamura;Kiminori Maeda;Yasuhiro Kobori;Jenny Clark;Sam L. Bayliss;Nobuhiro Yanai
Journal of the American Chemical Society  Published:October 09, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c12867

Abstract

Molecular spins supporting optically detected magnetic resonance (ODMR) offer unique opportunities for quantum sensing and many-body physics by combining the sensitivity and spatial resolution offered by optical spin detection with the capacity for bottom-up assembly and chemical control. Metal–organic frameworks (MOFs) are a promising architecture to leverage such opportunities since they offer control over spin placement, tunable porosity and large internal surface areas for efficient integration with sensing targets, and a richly tunable chemical space. However, optical spin readout has not been demonstrated in a MOF. Here, we report the first successful optical detection of spins in a MOF. We use a porphyrin-based aluminum MOF (Al-PMOF), which supports efficient triplet generation on the porphyrin chromophore ligands. Using electron paramagnetic resonance, we demonstrate that these triplet states support a spin coherence time (T2) on the order of a few microseconds at 50 K. Importantly, we successfully detect optically detected magnetic resonance of these triplets using near-infrared ODMR at 77 K. Optical spin readout in a MOF paves the way for next-generation quantum sensing applications that leverage bottom-up assembly.

1701物理及び化学
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