ナノグラフェンが強固な多重スピンエンタングルメントを実現
シンガポール国立大学の研究チームは、複数のスピンが相互作用し、磁気擾乱に対する耐性も向上した、グラフェン類似分子を設計・合成する手法を開発しました。
ナノグラフェンは、量子情報技術や次世代スピントロニクスへの応用が期待されています。
研究では、「Clar's goblet」と呼ばれる分子構造を拡張することで、分子の形状を制御し、電子間の相互作用とゼロエネルギーモードの数を独立して調整しました。
特に、hourglass（砂時計）型のナノグラフェンは、構造と磁気特性の関連性が明確であり、分子サイズでの量子ビットや量子シミュレーターの実現に貢献する可能性があります。
シンガポール国立大学（NUS）の研究チームが、特異な形状を持つ「砂時計型ナノグラフェン」を設計し、複数のスピンが強く絡み合う（エンタングルメント）分子を開発したと発表しました。これは、分子レベルでの量子情報技術や次世代のスピントロニクス分野に新たな可能性を拓くものと見られています。
磁性ナノグラフェンの重要性と課題
ナノグラフェンとは、ベンゼン環が融合した炭素ベースの分子で、量子技術の材料として注目されています。従来の金属原子ベースの磁性材料と異なり、ナノグラフェンは化学的な多様性があり、スピン（電子の回転）を長期間維持できる特性を持っています。しかし、複数のスピンを安定かつ制御された形で一つの分子内に組み込むことは、これまで大きな技術的課題でした。
砂時計型分子の構造設計と合成
研究チームは、既存の分子構造である「クラールのゴブレット」を基に、原子レベルで精密な化学合成手法を用いて、C62H22やC76H26といった砂時計型のナノグラフェンを合成しました。分子の形状を横方向や縦方向に変えることで、電子間の相互作用やゼロエネルギーモードの数を独立して制御できることが判明しました。
高い磁気耐性と量子応用への期待
合成された2つの分子はそれぞれ4つのスピンを持つものの、外部磁場による影響に対する耐性が異なりました。特に高い耐性を示した分子は、量子状態が外部ノイズによって乱されにくい特性を持っています。このロバスト性は、極めて繊細な量子状態の維持が求められる分子量子ビット（分子キュービット）の応用において非常に重要だと説明されています。
まとめ
今回の成果は、砂時計型ナノグラフェンにおける構造と物性の明確な関係性を確立した点で画期的です。研究チームは今後、単一分子レベルでのスピンダイナミクス解析を進め、分子量子ビットやスピントロニクスデバイスの開発を目指すとしています。
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(Left) Non-contact atomic force microscopy image showing the honeycomb-like carbon framework of a nanographene molecule. (Right) A schematic illustration of the hourglass-shaped molecule, with four interacting spins represented by arrows at its corners. Credit: Adapted from Nature Synthesis (2026). DOI: 10.1038/s44160-026-01052-1
Researchers from the National University of Singapore (NUS) and collaborators have developed a predictive design strategy for creating graphene-like molecules with multiple interacting spins and enhanced resilience to magnetic perturbations, opening new avenues for molecular-scale quantum information technologies and next-generation spintronics.
The research team was led by Professor Lu Jiong from the NUS Department of Chemistry and the NUS Institute for Functional Intelligent Materials, together with Professor Wu Jishan from the NUS Department of Chemistry, and international collaborators, including key contributor Professor Pavel Jelínek from the Czech Academy of Sciences in Prague.
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