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― (大学院理工学研究科 長嶋宏樹助教、前田公憲准教授)

2026/10/9

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ポイント

◆多孔性金属錯体（Metal-organic frameworks; MOFs）（注1）中に生成した励起三重項（注2）の電子スピンの光検出を初めて実証した。
◆今後はMOFと光検出を組み合わせた高感度な量子センシング（注3）の実証が期待される。

概要

東京大学大学院理学系研究科の井上魅紅大学院生、石井航大学院生、楊井伸浩教授らの研究グループは、グラスゴー大学のAlistair Inglis博士研究員、Sam L. Bayliss准教授、シェフィールド大学のThomas W. Bradbury博士課程学生、Jenny Clark 教授、埼玉大学大学院理工学研究科の長嶋宏樹助教（量子科学技術研究開発機構  協力研究員）、前田公憲准教授、日本電子株式会社の青山佳敬博士、西山裕介博士、分子科学研究所の浅田瑞枝主任技術員、中村敏 和チームリーダー、神戸大学ライフ光学イノベーション研究センターの小堀康博教授らと共同で、光検出磁気共鳴測定によるMOF中の電子スピンの光検出を初めて実証しました。
光検出磁気共鳴（Optically detected magnetic resonance; ODMR）法（注4）は、量子セン シングにおける有用なスピン量子ビットの読み出し法として注目されています。本研究では、ポルフィリン誘導体（注5）を配位子としたMOFを合成し、光照射によって生成する配位子由来の励起三重項スピンの光検出に初めて成功しました。MOFは量子センシング応用に向けた有望な材料として期待されていましたが、量子センシングの実現に向けて鍵となるスピンの光検 出はMOF中において達成されていませんでした。本研究により、MOFとODMRを組み合わせた高感度な化学物質の量子センシングに向けた重要な一歩が示されました。

論文情報

用語説明

（注 1）多孔性金属錯体（Metal-organic frameworks; MOFs）
金属イオンと有機配位子が配位結合して形成された結晶性の高分子です。金属イオンや配位子の長さ・構造を変化させることで様々な結晶構造をつくることができます。多孔性材料のため内部に他の分子を吸着させることができます。ガス吸着や触媒の分野で幅広く研究されてきま したが、近年では量子化学分野でも注目されています。

（注 2）励起三重項
光を吸収した分子の中で二つの電子スピンがそろった励起状態のことです。励起三重項の電子スピンは量子ビットとして利用できる可能性があります。励起三重項状態はゼロ磁場においても少しずつエネルギーの異なる三つの準位を持ち、その中の特定の準位にスピンが多く占有さ れています。

（注 3）量子センシング
量子ビットの重ね合わせやもつれといった量子効果を利用したセンシング手法のことを指します。重ね合わせやもつれ状態は外部環境に対して非常に敏感なため、従来のセンシングよりも高感度な検出が可能になると期待されています。電子スピンは量子ビットとして利用すること ができるため、有機分子やそれらを配位子として組み込んだMOFによる量子センシングができます。

（注 4）光検出磁気共鳴（Optically detected magnetic resonance; ODMR）
光によって電子スピンを検出する手法です。電子スピンにマイクロ波を照射した際のスピン状態の変化を、発光や吸収の強度変化として検出します。検出にエネルギーの高い光を利用することで、検出感度と空間分解能が高いという特徴を持ちます。

（注 5）ポルフィリン誘導体
ポルフィリンは生体内で重要な役割を担う物質の基本骨格のことです。本研究では中心に金属イオンが配位していないフリーベースポルフィリン骨格を持つ分子をMOFの配位子として利用しています。

‣長嶋 宏樹(理工学研究科 物質科学部門)｜埼玉大学 研究者総覧
‣前田 公憲(理工学研究科 物質科学部門)｜埼玉大学 研究者総覧