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

由千葉大學大學院工學研究院山田豐和副教授與大阪大學多田幸平助理教授等組成的聯合研究團隊，成功地將自古以來作為常見磁性材料而聞名的「鐵」縮小至物質的最小單位—單一原子，並在自旋電子學（註1）領域廣泛使用的「MgO/Fe (001)」（註2）結構中，將吸附在約1奈米（nm）厚絕緣膜上的單一鐵原子以極其穩定的狀態固定下來。

這個單一鐵原子具有離散的量子自旋狀態，有望應用於量子電腦和量子感測器的基本單位—量子位元（註3）。

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。
（論文連結：10.1016/j.apsadv.2026.100965）

　

■ 研究成果 (詳情請參閱附件)

實現量子電腦和量子感測器，開發能夠穩定保持量子狀態的材料是不可或缺的。在由多個原子組成的固體中，電子形成能帶，無法利用單獨的量子狀態。另一方面，當物質縮小到單一原子時，電子具有離散的能量，可以直接存取單一量子自旋，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，由於與基板中電子的相互作用，自旋方向會受到干擾，難以穩定利用。為了解決這個問題，雖然提出了夾持MgO等絕緣膜的方法，但傳統的超薄膜（0.2～0.4 nm）存在許多晶體缺陷和應變。實際上，理想的解決方案是在約1奈米厚的絕緣膜上實現，但這在技術上一直被認為是困難的。

本研究利用千葉大學開發的掃描式穿隧顯微鏡（STM）（註4），在超高真空和極低溫（零下268.5°C）下驗證了約1奈米厚單一鐵原子的穩定性，結果顯示即使在1奈米厚的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) 成功在約1奈米厚的MgO絕緣膜上，以穩定的狀態固定並直接觀察到單一鐵原子。

2) 建立了在特定電壓和電流條件下，不移動原子即可進行觀察的條件。

3) 透過研究成果與模擬的比較，闡明了鐵原子與MgO中的氧原子強烈結合，產生了顯著的電荷轉移，並且鐵原子具有自旋S = 3/2的量子狀態。

■ 未來展望

本研究的重點是成功地將單一鐵原子牢固地固定在已廣泛用作資訊記錄設備的MgO/Fe(001)薄膜表面上。由於鐵即使縮小到單一原子仍具有磁性，這表明單一原子磁鐵有可能作為量子位元使用，即現有的自旋電子學材料在單原子尺度上可能作為量子位元材料發揮作用。這是連結現有自旋電子學技術與量子設備技術的重要見解，有望為量子設備開發的普及和實用化做出貢獻。

■ 術語解釋

註1）自旋電子學：一個利用電子電荷以及磁鐵性質「自旋」來處理和記錄資訊的技術領域。預計將實現比傳統設備更高效率、更高密度的設備。

註2）絕緣性MgO/Fe (100)：將絕緣體氧化鎂（MgO）與鐵（Fe）晶體方向之一的「(100)面」結合的結構。這在自旋電子學研究中是一個非常重要的材料系統，透過應用這種結構，可以只讓具有特定自旋和軌道對稱性的電子通過。

註3）量子位元：量子電腦中表示資訊的最小單位。

註4）掃描式穿隧顯微鏡(STM)：一種透過用原子級尖銳的探針掃描樣品表面，以原子解析度觀察物質表面的顯微鏡。它能以小於原子的1皮米（picometer = 10⁻¹²米）精度，進行物質形狀觀察和電子狀態測量。

■ 論文資訊

標題：Stabilization of isolated Fe atoms on a 1-nm-thick MgO/Fe(001) insulating surface via critical tunneling for a robust quantum spin platform

作者：Toyo Kazu Yamada, Nana K. M. Nazriq, Kohei Tada

期刊名稱：Applied Surface Science Advances

DOI：10.1016/j.apsadv.2026.100965

■ 關於研究專案

本研究獲得JSPS科研費17K19023、22H02050、23K23318、23H02033以及其他多個民間財團研究補助金的資助。

*詳情請參閱以下PDF。

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