量子感測是一種利用量子位元的量子力學感測技術，與既往感測技術相比，預計可實施更高靈敏度和解析度的感測。在此領域中，由於分子結構的高度自由度和均一性，利用分子中的電子自旋作爲量子位元的技術正在積極推進之中。然而，大多數針對使用分子量子位元的研究都僅限於極低溫條件，且利用量子位元進行化學物質感測的策略很少，僅限於有限的化學物質。
圖：研究模式圖。透過在MOF（金屬有機框架）中引入分子性三重態量子位元，並測量吸附客體時量子疊加態保持時間（T₂）的變化。（供圖：東京大學）
九州大學研究生院工學研究院的研究生山内朗生、副教授楊井伸浩（現東京大學研究生院理學系研究科教授）等的研究團隊，與分子科學研究所機器中心的主任技術員淺田瑞枝、團隊負責人中村敏和、名古屋大學研究生院工學研究科的特任助教Pirillo Jenny及該校未來社會創造機構去碳社會創造中心的特任副教授土方優等合作，提出了一種可以在室溫下識別多種分子的量子感測方法。相關成果已發表於《Nature Communications》。
本次研究提出了一種在室溫下識別多種分子的量子感測方法。利用了可在室溫下使用的分子量子位元——光激發三重態電子自旋和被稱爲金屬有機框架（MOF）的奈米多孔材料。
使用MOF在室溫下進行量子感測的先例已有報告，但在此前的報告中，通常使用的是非自旋極化的普通電子自旋，且可檢測的化學物質也僅限於特定離子。
與此相對，研究聚焦於透過光照射產生的有機分子三重態中發生的自旋極化電子自旋。透過將其引入能夠根據客體分子獨特性靈活改變結構的MOF中，成功實施了高自旋極化率與對多種客體分子響應能力的兼顧。
當將各種客體引入MOF並使用脈衝電子自旋共振（ESR）測量量子疊加態的停留時間（T2）時，引入的每種客體均獲得了不同的T2。通常，引入客體時，由於量子位元周圍的環境中會產生客體衍生的噪音，因此T2往往會縮短。
此次研究發現，多個客體分子的引入使T₂時間相較於引入前有所延長，尤其是某些客體T₂時間可達到約1微秒左右，這在室溫下一個非常長的T₂時間。
爲解明這種現象，研究團隊研究了客體分子在MOF中孔内佔據的體積比，發現體積佔比越高，T2越長。透過分子動力學計算類比量子位元運動的結果表明，在體積佔比較高的情況下，量子位元的運動受到抑制，從而導致失落量子疊加態的運動受到抑制，因此T2得以延長。
這項研究表明，控制量子位元的運動性是實施室溫量子感測的重要因素。此外，長時間保持量子疊加狀態不僅對量子感測至關重要，對於整個量子技術領域也是關鍵。這次獲得的成果被認爲是在使用分子量子位元的量子技術中向前邁出的重要一步。
未來，預期可以透過排列多個由不同MOF和三重態量子位元組成的系統，並基於它們的響應來識別化學物質，從而實施化學量子感測的應用。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Modulation of triplet quantum coherence by guest-induced structural changes in a flexible metal-organic framework
URL：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51715-w
