磁蝴蝶：科學(xué)家揭開(kāi)下一代量子材料的突破性設計概念
新加坡國立大學(xué)的研究人員創(chuàng )造了一種新的蝴蝶形狀的磁性納米石墨烯，可以通過(guò)更好地控制電子自旋和延長(cháng)量子比特的相干時(shí)間來(lái)改善量子計算。
新加坡國立大學(xué)（NUS）的研究人員公布了下一代碳基量子材料的突破性設計概念。他們創(chuàng )造了一種微小的、蝴蝶形狀的磁性納米石墨烯，具有高度相關(guān)的自旋，展示了量子信息技術(shù)進(jìn)步的巨大潛力。
磁性納米石墨烯是一種由石墨烯分子組成的微小結構，由于碳原子π軌道上特定電子的行為而表現出非凡的磁性。與使用重金屬制造的傳統磁性材料不同，碳的π電子起著(zhù)獨特的作用。在傳統磁性材料中，來(lái)自d軌道或f軌道的不同類(lèi)型的電子都參與其中。通過(guò)在納米尺度上精確設計這些碳原子的排列，可以實(shí)現對這些獨特電子行為的控制。
這使得納米石墨烯在制造極小磁鐵和制造量子計算機發(fā)展所必需的基本組件（稱(chēng)為量子比特或量子位）方面非常有前景。在快速運行的同時(shí)，高質(zhì)量的量子比特需要在較長(cháng)的時(shí)間內保持其量子態(tài)，即相干時(shí)間。眾所周知，碳基材料可以延長(cháng)自旋量子比特的相干時(shí)間，因為它們具有兩種獨特的性質(zhì)：弱自旋軌道和超精細耦合，可以有效地防止電子自旋的退相干。
由新加坡國立大學(xué)化學(xué)系和功能智能材料研究所的LU Jiong副教授領(lǐng)導的研究小組，與新加坡國立大學(xué)化學(xué)系的Jishan WU教授以及國際合作者一起，開(kāi)發(fā)了一種設計和制造大型完全融合的蝴蝶形磁性納米石墨烯的方法。這種獨特的結構有四個(gè)類(lèi)似蝴蝶翅膀的圓形三角形，每個(gè)翅膀上都有一個(gè)未配對的π電子，負責觀(guān)察到的磁性。這一成就歸功于納米結構石墨烯中π-電子網(wǎng)絡(luò )的原子精確設計。
LU Jiong副教授說(shuō)：“磁性納米石墨烯是一種由熔融苯環(huán)組成的微小分子，由于其化學(xué)上的多功能性和較長(cháng)的自旋相干時(shí)間，它作為下一代量子材料具有重要的前景，可以承載迷人的量子自旋。然而，在這樣的系統中創(chuàng )建多個(gè)高度糾纏的自旋，對于構建可擴展和復雜的量子網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是一項艱巨而又必不可少的任務(wù)。”
這一重大成就源于合成化學(xué)家、材料科學(xué)家和物理學(xué)家之間的密切合作，其中包括來(lái)自布拉格捷克科學(xué)院的Pavel Jelinek教授和Libor Vei博士。
這項研究的突破最近發(fā)表在科學(xué)雜志《自然化學(xué)》上。
具有高糾纏自旋的新一代磁性納米石墨烯
納米石墨烯的磁性通常來(lái)源于其特殊電子的排列，稱(chēng)為π電子，或它們相互作用的強度。然而，很難使這些性質(zhì)一起工作以產(chǎn)生多個(gè)相關(guān)的自旋。此外，納米石墨烯主要表現出單一的磁順序，其中自旋排列在同一方向（鐵磁性）或相反方向（反鐵磁性）。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型磁性納米石墨烯來(lái)克服這些挑戰。他們創(chuàng )造了一種納米石墨烯，具有鐵磁性和反鐵磁性，具有蝴蝶形狀，由四個(gè)較小的三角形在中心組合成一個(gè)菱形，尺寸約為3納米。
為了制造這種蝴蝶納米石墨烯，研究人員最初通過(guò)傳統的溶液化學(xué)設計了一種特殊的分子前體。該前驅體隨后被用于在真空環(huán)境下進(jìn)行的新型固相化學(xué)反應 —— 表面合成。這種方法使研究人員能夠在原子水平上精確地控制納米石墨烯的形狀和結構。
這種蝴蝶納米石墨烯的一個(gè)有趣之處在于它有四個(gè)未配對的π電子，其自旋主要在“翅膀”區域離域并糾纏在一起。研究人員使用帶有鎳烯尖端的超冷掃描探針顯微鏡作為原子尺度自旋傳感器，測量了蝴蝶納米石墨烯的奇特磁性。這一突破不僅解決了現有的挑戰，而且為在最小尺度上精確控制磁性開(kāi)辟了新的可能性，導致量子材料研究取得了令人興奮的進(jìn)展。
“從這項研究中獲得的見(jiàn)解，為創(chuàng )造具有設計量子自旋架構的新一代有機量子材料鋪平了道路。展望未來(lái)，我們的目標是在單分子水平上測量自旋動(dòng)力學(xué)和相干時(shí)間，并對這些糾纏自旋進(jìn)行相干操縱。這代表著(zhù)朝著(zhù)實(shí)現更強大的信息處理和存儲能力邁出了重要的一步。”
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