用于量子技术的具有纠缠自旋的磁性蝴蝶

新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员发现了一种新的设计概念，用于创建下一代碳基量子材料，一种微小的磁性纳米石墨烯，具有独特的蝴蝶形状，具有高度相关的自旋，展示了量子信息技术进步的潜力。

磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子制成的微小结构，由于碳原子π轨道中特定电子的行为而表现出显着的磁性。与使用重金属生产的传统磁性材料不同，其中涉及来自 d 或 f 轨道的不同类型的电子，碳的 π 电子发挥着独特的作用。通过在纳米尺度上精确设计这些碳原子的排列，可以实现对这些独特电子行为的控制。这使得纳米石墨烯在制造极小的磁体和制造基本组件(称为量子位或量子位)方面非常有前景，这对于量子计算机的开发至关重要。高质量的量子位需要在快速运行的同时保持其量子态较长的持续时间(称为相干时间)。众所周知，碳基材料可以延长自旋量子位的相干时间，因为它们具有两个独特的特性：弱自旋轨道和有效防止电子自旋退相干的超精细耦合。

由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所的 LU Jiong 副教授领导的研究团队与新加坡国立大学化学系的 Jishan WU 教授以及国际合作者一起，开发了一种设计和创建大型纳米材料的方法。全熔合蝴蝶形磁性纳米石墨烯。这种独特的结构有四个类似于蝴蝶翅膀的圆角三角形，每个翅膀都持有一个不成对的π电子，负责观察到的磁性。这一成就归功于纳米结构石墨烯中 π 电子网络的原子级精确设计。

卢副教授表示：“磁性纳米石墨烯是一种由稠合苯环组成的微小分子，由于其化学多功能性和较长的自旋相干时间，有望作为下一代量子材料来承载令人着迷的量子自旋。然而，在此类系统中创建多个高度纠缠的自旋对于构建可扩展且复杂的量子网络来说是一项艰巨但必不可少的任务。”

这一重大成就源于合成化学家、材料科学家和物理学家之间的密切合作，其中包括来自布拉格捷克科学院的关键贡献者 Pavel Jelinek 教授和 Libor Vei 博士。

该研究突破于2024年2月19日发表在科学杂志《自然化学》上。

具有高度纠缠自旋的新一代磁性纳米石墨烯

纳米石墨烯的磁性通常源自其特殊电子(称为 π 电子)的排列或其相互作用的强度。然而，很难让这些属性一起工作来创建多个相关自旋。此外，纳米石墨烯主要表现出奇异的磁序，其中自旋沿相同方向(铁磁性)或相反方向(反铁磁性)排列。

研究人员开发了一种新型磁性纳米石墨烯来克服这些挑战。他们创造了一种纳米石墨烯，具有铁磁和反铁磁特性，具有蝴蝶形状，由四个较小的三角形组合成中心的菱形制成，尺寸约为 3 纳米。

为了生产这种蝴蝶纳米石墨烯，研究人员最初通过传统的溶液化学设计了一种特殊的分子前体。然后将该前体用于随后的表面合成，这是一种在真空环境中进行的新型固相化学反应。这种方法使研究人员能够在原子水平上精确控制纳米石墨烯的形状和结构。

这种蝴蝶纳米石墨烯的一个有趣的方面是它有四个不成对的π电子，自旋主要在“翼”区域离域并纠缠在一起。研究人员使用带有二茂镍尖端的超冷扫描探针显微镜作为原子级自旋传感器，测量了蝴蝶纳米石墨烯的奇异磁性。此外，这项新技术可以帮助科学家直接探测纠缠自旋，以了解纳米石墨烯的磁性如何在原子尺度上发挥作用。这一突破不仅解决了现有的挑战，而且为在最小尺度上精确控制磁性提供了新的可能性，从而在量子材料研究中取得了令人兴奋的进步。

“从这项研究中获得的见解为创造具有设计师量子自旋结构的新一代有机量子材料铺平了道路。展望未来，我们的目标是测量单分子水平的自旋动力学和相干时间，并连贯地操纵这些纠缠的自旋。这代表着朝着实现更强大的信息处理和存储能力迈出了一大步。”卢副教授补充道。