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、グラスゴー大学、シェフィールド大学などの国際研究チームは、多孔性金属錯体(MOF)内部で生成した電子スピンを、光によって検出することに初めて成功した。MOFは金属イオンと有機分子からなる多孔質結晶で、細孔内に化学物質を取り込めるため、高感度センサー材料として期待されている。研究チームは、ポルフィリン誘導体を有機配位子とするMOFを合成し、光照射で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でスピンの特性を解析したうえで、光検出磁気共鳴(ODMR)法を適用し、マイクロ波照射によるスピン状態の変化を発光強度の変化として読み出した。さらに、スピンの量子状態を保持する時間が、量子センシングへの応用に必要な可能性を持つことも示した。この成果は、MOFの分子設計の自由度と光による高感度検出を組み合わせ、特定の化学物質を識別する量子センサーの開発につながる基盤技術となる。

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.

0501セラミックス及び無機化学製品
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