實現單一鐵原子「量子位元」的重大進展—成功在1奈米絕緣膜上穩定保持鐵原子

千葉大學大學院工學研究院的山田豐和副教授與大阪大學的多田幸平助教等人組成的共同研究團隊，成功地將自古以來作為常見磁性材料而聞名的「鐵」，微縮至物質的最小單位—單一原子，並在自旋電子學（註1）領域廣泛應用的「MgO/Fe (001)（註2）」結構中，將吸附在厚度約1奈米（nm）絕緣膜上的單一鐵原子以極其穩定的狀態固定住。

這個單一鐵原子擁有離散的量子自旋狀態，有望作為量子電腦或量子感測器的基本單位—量子位元（註3）獲得應用。

本研究成果已於2026年3月10日，線上發表於國際學術期刊《Applied Surface Science Advances》。（論文請見：10.1016/j.apsadv.2026.100965）

■研究成果 （詳情請參閱附件）

要實現量子電腦與量子感測器，開發能夠穩定保持量子狀態的材料是不可或缺的。在由多數原子構成的固體中，電子會形成能帶，無法利用個別的量子狀態。另一方面，若將物質微縮至單一原子，電子便會帶有離散的能量，可以直接存取單一的量子自旋，使得量子自旋有可能作為量子位元使用。

然而，將單一鐵原子置於金屬基板上時，會因與基板中的電子相互作用而擾亂自旋方向，難以穩定利用。為應對此課題，雖有提出夾入MgO等絕緣膜的方法，但傳統的極薄膜（0.2～0.4 nm）結晶缺陷與應變多，實用上期望能以約1 nm厚的絕緣膜來實現，但在技術上被認為相當困難。

本研究使用本校開發的掃描穿隧顯微鏡（STM）（註4），在超高真空、極低溫（零下268.5℃）下驗證了厚度約1 nm的單一鐵原子的穩定性，結果顯示即使在厚度1 nm的MgO絕緣膜上，鐵原子也能牢固吸附，並保持穩定的量子自旋狀態。（圖）。

1) 在厚度約1 nm的MgO絕緣膜上，成功以穩定狀態固定單一鐵原子，並成功直接觀察。

2) 藉由特定的電壓、電流條件，確立了可在不移動原子的情況下進行觀測的條件。

3) 透過研究成果與模擬的比對，闡明了鐵原子與MgO中的氧原子強力結合，產生了巨大的電荷轉移，且鐵原子擁有自旋S = 3/2的量子狀態。

■未來展望

本研究的重點在於，已作為資訊記錄裝置廣泛應用的MgO/Fe(001)薄膜表面上，成功牢固地固定了單一鐵原子。由於鐵即使微縮至單一原子也仍保有磁性，這顯示了單一原子磁鐵作為量子位元使用的可能性，意即現有的自旋電子學材料在單一原子尺度下，也可能作為量子位元材料發揮功能。這顯示了現有的自旋電子學材料在單一原子尺度下，也可能作為量子位元材料發揮功能的可能性。