纳米级金粒子“超级原子”或引发量子革命

"我们首次证明，金纳米团簇拥有与当前量子信息系统最先进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兼教授、研究团队负责人肯·纳彭伯格（Ken Knappenberger）说。"令人兴奋的是，我们还能操纵这些团簇中一个名为‘自旋极化’的重要特性，该特性在材料中通常是固定的。这些团簇可以相对容易地大量合成，使这项工作成为一项有前景的概念验证，表明金团簇可用于支持各种量子应用。"

两篇描述金团簇并确认其自旋特性的论文发表在ACS Central Science和The Journal of Physical Chemistry Letters上。

"电子的自旋不仅影响重要的化学反应，也影响计算和传感等量子应用，"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（Nate Smith）说。"电子自旋的方向及其相对于系统中其他电子的排列方式，可直接决定量子信息系统的准确性和寿命。"

就像地球绕其相对于太阳倾斜的轴自转一样，电子也可以绕其相对于原子核倾斜的轴自旋。但与地球不同的是，电子可以顺时针或逆时针自旋。当材料中的许多电子以相同方向自旋且倾斜角度一致时，电子被视为具有相关性，该材料被认为具有高度的自旋极化。

"电子高度相关且具有高度自旋极化的材料，能维持这种相关性的时间要长得多，因而保持准确性的时间也更长，"史密斯说。

当前在量子信息系统中实现高精度和低错误率的最先进方法涉及捕获处于气态的带电原子离子。该系统允许电子被激发到不同的能级（称为里德伯态），这些能级具有非常特定、可长时间维持的自旋极化特性。它还实现了电子的叠加态，即电子在被测量前同时存在于多种状态，这是量子系统的关键特性。

"这些被捕获的气态离子本质上是稀薄的，这使得它们非常难以扩展规模，"纳彭伯格说。"固态材料所需的凝聚相，按定义会将原子紧密堆积，从而失去那种稀薄特性。因此，扩大规模提供了所有必要的电子要素，但这些系统变得对环境干扰极其敏感。环境干扰基本上会扰乱你编码到系统中的所有信息，因此错误率变得非常高。在这项研究中，我们发现金纳米团簇能模拟被捕获气态离子的所有最佳特性，同时具备可扩展性的优势。"

科学家们对金纳米结构在光学技术、传感、治疗以及加速化学反应方面的潜在应用进行了大量研究，但对其磁性和自旋相关特性的了解较少。在目前的研究中，研究人员专门探索了单层保护团簇——其核心为金，周围环绕着称为配体的其他分子。研究人员可以精确控制这些团簇的构造，并能一次性合成相对大量的团簇。

"这些团簇被称为超级原子，因为它们的电子特性类似于原子，现在我们了解到它们的自旋特性也类似，"史密斯说。"我们鉴定出了19个可区分且独特的类里德伯自旋极化态，这些态模拟了我们能在被捕获的气相稀薄离子中实现的叠加态。这意味着这些团簇具备了执行基于自旋的操作所需的关键特性。"

研究人员使用与传统原子类似的方法确定了金团簇的自旋极化率。一种金团簇的自旋极化率为7%，而具有不同配体的另一种团簇则接近40%。纳彭伯格表示，这与一些领先的二维量子材料相比具有竞争力。

"这告诉我们，电子的自旋特性与配体的振动密切相关，"纳彭伯格说。"传统上，量子材料的自旋极化率是固定值，无法显著改变，但我们的结果表明，我们可以修改这些金团簇的配体来广泛调节这一特性。"

该研究团队计划探索配体内部的不同结构如何影响自旋极化，以及如何操纵它们来微调自旋特性。

"量子领域通常由物理学和材料科学的研究人员主导，而我们在此看到了化学家利用我们的合成技能来设计具有可调谐结果材料的机会，"纳彭伯格说。"这是量子信息科学的新前沿。"

除史密斯和纳彭伯格外，研究团队成员还包括宾夕法尼亚州立大学化学研究生朱尼珀·福克斯利（Juniper Foxley）；2019年在宾夕法尼亚州立大学获得化学博士学位的帕特里克·赫伯特（Patrick Herbert）；宾夕法尼亚州立大学埃伯理理学院研究员简·纳彭伯格（Jane Knappenberger）；以及科罗拉多州立大学的马库斯·托法内利（Marcus Tofanelli）和克里斯托弗·阿克森（Christopher Ackerson）。

美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会提供了这项研究的资助。