単一分子量子状態の完全電気制御を実現(Scientists Achieve All-Electrical Control of Single-Molecule Quantum States)

2026-07-16 韓国基礎科学研究院(IBS)

韓国・基礎科学研究院(IBS)量子ナノ科学センター(QNS)とカールスルーエ工科大学(KIT)の研究チームは、単一磁性分子の量子状態(スピン)を磁場ではなく電圧のみで高精度に制御する新たな「交換相互作用媒介機構」を実証した。研究では電子スピン共鳴走査トンネル顕微鏡(ESR-STM)を用いて鉄フタロシアニン(FePc)分子を観測し、分子と磁性STM探針との交換相互作用が電圧によって強く変調されることを発見した。分子の電子準位付近ではスピン共鳴周波数が非線形に変化し、そのシフト量は従来法の約10倍、最大約30%に達した。さらにラビ振動を観測し、電圧のみで単一分子スピンのコヒーレント制御や隣接分子に影響を与えない選択的制御にも成功した。本手法は分子の機械的変形を必要とせず、量子ドットや固体スピン欠陥にも適用可能であり、分子量子コンピュータ、量子センシング、量子情報処理など、集積化しやすい分子量子デバイス実現への重要な基盤技術となる。

単一分子量子状態の完全電気制御を実現(Scientists Achieve All-Electrical Control of Single-Molecule Quantum States)
Figure 1. Schematic illustration of single-molecule quantum state control using a voltage-dependent exchange field

<関連情報>

表面上の単一分子の交換相互作用を介したスピン電気制御 Exchange-mediated spin–electric control of single molecules on surfaces

Paul Greule,Wantong Huang,Máté Stark,Kwan Ho Au-Yeung,Johannes Schwenk,Jose Reina-Gálvez,Christoph Sürgers,Wolfgang Wernsdorfer,Christoph Wolf & Philip Willke
Nature Physics  Published:29 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03353-w

Abstract

Individual magnetic molecules are promising building blocks for quantum technologies owing to their chemical tunability, nanoscale dimensions and ability to self-assemble into ordered arrays. However, exploiting their properties in quantum information processing requires precise local control of their spin. Here we demonstrate spin–electric coupling for two molecular spin systems—iron phthalocyanine (FePc) and Fe–FePc complexes—adsorbed on a surface. We use electron spin resonance combined with scanning tunnelling microscopy to locally address them and electrically tune them using an applied bias voltage. These measurements reveal a nonlinear voltage dependence of the resonance frequency, linked to the energetic position of the molecular orbitals. We attribute this effect to a transport-mediated exchange field from the magnetic tip, providing a large, highly localized and broadly applicable spin–electric coupling mechanism. Finally, we demonstrate that the spin–electric coupling enables all-electrical coherent spin control. In Rabi oscillation measurements of both single and coupled Fe–FePc complexes, we show that the spin dynamics can be tuned using the exchange field, demonstrating a pathway towards electrically controlled quantum operations.

0403電子応用
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