Theory for nanographene device design by quantum many-body effects

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今年度の本研究により、量子演算素子を提供しうるナノグラフェン構造を、局在ゼロモードを適切に配置することにより実現できることを例示する研究実績を得ることができた。具体的には、まずpoly-PTMの水素化により局在ゼロモードが発生し、量子スピン系が与えられる。その結果プロトンスピンを配置した測定型量子計算素子を得ることが出来る。この設計法で与えた１次元分子系等を用いて、密度汎関数法による構造最適化示計算により、設計通りの局在ゼロモード配置が得られることを確認しながら、同時にNMR化学シフトを理論計算から見積もって、ゼロモードを与えている吸着水素とボンド終端水素を明瞭に区分した水素NMRが得られることを結論した。グラフェン分子の合成方法を応用して、Poly-PTMの合成手順を検討した。１次元鎖系はCyclohexa[cd]perylene (CP) を基本骨格として分子設計が可能である。さらに、2次元S=3/2反強磁性ハイゼンベルグ系の設計方法を、具体的なポリマー構造の物質設計を行って提供した。密度汎関数法計算により、構造異性体間のエネルギー評価を行って水素吸着位置の制御が可能であることを確認し、設計通りの局在ゼロモード配置が得られることを含め、1次元鎖、2次元ネットワークが安定に提供できることを確認した。これらの結果を日本物理学会において情報公開した。電子スピンから構成される量子スピン系としての相互作用エネルギーを、密度汎関数法に基づいて考察し、モデル設計した系の中から量子スピン系として望ましい構造をさらに選別できることを確認し、情報公開を行った。設計した水素化poly-PTM系は、Haldane系とプロトンスピンが弱い超微細相互作用で弱く結合した量子スピン系を与える。よって量子測定解析を可能と出来ることが分かる。