微小的金“超级原子”可能引发量子革命

"我们首次证明金纳米团簇具有与当前最先进量子信息系统方法相同的关键自旋特性，"宾夕法尼亚州立大学埃伯理理学院化学系主任、研究团队负责人肯·纳彭伯格教授表示。"更令人兴奋的是，我们还能调控这些团簇中被称为自旋极化的重要性质——该性质在材料中通常是固定的。这些团簇可以相对容易地实现大规模合成，使得这项工作成为金簇可支持多种量子应用的有力概念验证。"

两篇描述金簇并证实其自旋特性的论文分别发表在《ACS中心科学》和《物理化学快报》期刊上。

"电子自旋不仅影响重要化学反应，还关乎量子计算和传感等应用，"宾夕法尼亚州立大学埃伯理理学院化学研究生、其中一篇论文的第一作者内特·史密斯解释道。"电子自旋方向及其与系统中其他电子的排列关系，会直接影响量子信息系统的准确性和寿命。"

就像地球围绕与太阳形成夹角的轴线自转，电子也能围绕与其原子核形成夹角的轴线自旋。但与地球不同的是，电子可进行顺时针或逆时针自旋。当材料中大量电子以相同方向自旋且倾斜角度一致时，这些电子被称为关联电子，此时材料被认为具有高度自旋极化特性。

"具有高度关联电子和自旋极化的材料，能维持这种关联状态更长时间，从而保持更持久的准确性，"史密斯补充道。

当前量子信息系统实现高精度低误差的最先进方案，依赖于气态环境中的俘获离子（带电原子）。该系统可使电子激发到不同能级（称为里德伯态），这些能级具有可长期维持的特定自旋极化特性，同时允许电子处于叠加态——在被测量前能同时存在于多种状态，这是量子系统的关键特性。

"这些气态俘获离子本质上是稀疏的，难以实现规模化，"纳彭伯格指出。"固态材料所需的凝聚态本质上会使原子紧密堆积，丧失稀疏特性。虽然扩大规模能提供所有理想的电子要素，但这些系统会变得对环境干扰极其敏感。环境干扰基本上会扰乱所有编码信息，导致错误率飙升。本研究发现金簇能模拟俘获气体离子的所有最佳特性，同时具备可扩展性优势。"

尽管金纳米结构在光学技术、传感、治疗和催化等领域的潜力已被广泛研究，但其磁性和自旋相关特性仍知之甚少。本研究特别探索了单层保护团簇——具有金核并被配体分子包围的结构。研究人员能精确控制这些团簇的构建，并可一次性合成较大数量。

"这些团簇被称为超级原子，因为其电子特性与原子相似，现在我们发现其自旋特性也类似，"史密斯说。"我们鉴定出19种可区分且独特的类里德伯自旋极化态，能模拟气态稀薄离子中的叠加态。这意味着这些团簇具备执行自旋操作所需的关键特性。"

研究团队采用类似传统原子的方法测定金簇自旋极化度。其中一种金簇显示7%的自旋极化率，而采用不同配体的团簇则接近40%——纳彭伯格表示该数值可与顶级二维量子材料媲美。

"这说明电子自旋特性与配体振动密切相关，"纳彭伯格强调。"传统量子材料的自旋极化值是固定的，而我们发现可以通过调整金簇配体来大幅调控这一特性。"

研究团队计划探索配体内部不同结构对自旋极化的影响，以及如何通过调控来微调自旋特性。

"量子领域长期由物理和材料科学主导，而化学家正通过合成技术设计可调控材料开辟新天地，"纳彭伯格表示。"这标志着量子信息科学的新前沿。"

除史密斯和纳彭伯格外，研究团队还包括宾州大学化学研究生朱尼珀·福克斯利、2019年获化学博士学位的帕特里克·赫伯特、埃伯理理学院研究员简·纳彭伯格，以及科罗拉多州立大学的马库斯·托法内利和克里斯托弗·阿克森。

本研究获得美国空军科学研究办公室和国家科学基金会的资助。