有機分子で世界初！1次元スピン1/2ハイゼンベルグ分子鎖を実現

炭素原子のπ結合から生じた自由に動き回る電子「π電子」について、そのスピンの特性を生かして有機分子をナノスピントロニクスへ展開する可能性が世界中で注目を集めています。ギャップ励起など、スピン同士の強い相互作用から物質全体で発現するさまざまな特性の存在は証明されてきました。しかし、分子ごとにスピンの状態を観察できる分子鎖の合成が困難であったため、単一のスピン同士がどのように相互作用をして物質全体の特性に影響しているのか、詳細な分析が困難でした。特に、スピン同士が相互作用して互いに反対方向を向く「スピン-1/2ハイゼンベルグモデル」を実現できる新たな分子の合成とその物性解明が強く望まれていました。

今回、本研究チームは、金表面上で、合成で用いる前駆体分子の構造を工夫することにより、反応性の高い不対電子であるπ電子をもつ分子が連なる、1次元の分子鎖の合成に成功しました。さらに極低温かつ超高真空中で動作する走査型トンネル顕微鏡を用いた実験と理論計算により、隣り合うπ電子のスピンが互いに反対方向を向いており、分子が偶数連なった分子鎖ではギャップ励起を、奇数の鎖では低い電圧で抵抗が低くなる近藤励起を示すなど、スピン1/2ハイゼンベルグ反強磁性鎖に現れる物理現象が、連なっている分子の数に強く関連していることを明らかにしました。

1次元鎖を用いたこの成果を展開し、リング状構造体や2次元薄膜などトポロジカルスピンモデルやフラストレーションスピン系の実現に適したプラットフォームの実現など、量子マテリアルに関する今後の展開が期待できます。

• 本研究は、NIMSマテリアル基盤研究センターナノプローブグループの川井 茂樹 グループリーダー、Kewei Sun ICYS研究員、シンガポールNanyang Technological University 伊藤慎庫教授、フィンランドAalto University Adam S. Fosterからなる研究チームによって、JSPS科研費22H00285と24K21721の一環として行われました。
• 本研究成果は、2025年2月28日に“Science Advances”のオンライン版に掲載されました。