微小的黄金“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的量子信息系统方法相同的关键自旋特性，」研究团队负责人、宾夕法尼亚州立大学埃伯理理学院化学系主任Ken Knappenberger教授表示，「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，使这项工作成为金团簇可用于支持多种量子应用的有力概念验证。」

两篇描述金团簇并证实其自旋特性的论文发表在《ACS核心科学》和《物理化学快报》期刊上。

「电子的自旋不仅影响重要的化学反应，还影响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Nate Smith解释道，「电子自旋的方向及其与系统中其他电子自旋的排列关系，会直接影响量子信息系统的准确性和寿命。」

类似地球围绕其相对于太阳倾斜的轴心自转，电子也能围绕其相对于原子核倾斜的轴自旋。但与地球不同的是，电子可进行顺时针或逆时针自旋。当材料中多个电子以相同方向自旋且倾斜方向一致时，这些电子被称为关联电子，该材料则被认为具有高度的自旋极化。

「拥有高度关联电子（即高度自旋极化）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，」Smith补充道。

当前量子信息系统中实现高精度和低错误率的最先进方案涉及捕获气态离子（带电荷的原子）。该系统可使电子激发到不同能级（称为里德堡态），这类能级具有可长期维持的特定自旋极化特性。同时它还能实现电子叠加态——电子在被测量前可同时存在于多种状态，这是量子系统的关键特性。

「这些捕获的气态离子本质上是稀薄的，因此难以扩展规模，」Knappenberger指出，「固态材料所需的凝聚态本质上会将原子紧密堆积，丧失稀薄特性。虽然系统扩容提供了所有必需的电子要素，但这些系统对环境干扰变得极为敏感。环境干扰会扰乱所有编码到系统中的信息，导致错误率急剧升高。本研究发现金团簇能模拟捕获气态离子的所有最佳特性，同时兼具可扩展性优势。」

金纳米结构在光学技术、传感、治疗及加速化学反应方面的潜在应用已被广泛研究，但其磁性和自旋相关特性却鲜为人知。当前研究中，科研人员重点探索了单层保护团簇——该结构以金为核心，外围包裹着名为配体的分子。研究人员能精确控制团簇构建，并可一次性合成较大量样品。

「这些团簇被称为超原子，因其电子特性与原子相似，现在我们发现其自旋特性也类似，」Smith阐述道，「我们鉴定出19种可区分且独特的类里德堡自旋极化态，它们模拟了我们在捕获气相稀薄离子中实现的叠加态。这意味着该团簇具备执行基于自旋的操作所需的关键特性。」

研究团队采用与传统原子相似的方法测定金团簇的自旋极化度。某种金团簇具有7%的自旋极化度，而更换配体的另一种团簇自旋极化度接近40%。Knappenberger表示该数值可与前沿的二维量子材料相媲美。

「这表明电子自旋特性与配体振动密切相关，」Knappenberger解释道，「传统量子材料的自旋极化度是固定值且无法显著改变，但我们的结果表明可通过修饰金团簇配体来广泛调控该特性。」

团队计划深入探索配体内部不同结构如何影响自旋极化，以及如何通过操控这些结构来微调自旋特性。

「量子领域通常由物理和材料科学研究人员主导，而我们看到化学家有机会运用合成技能设计具有可调特性的材料，」Knappenberger展望道，「这标志着量子信息科学的新前沿。」

除Smith和Knappenberger外，研究团队还包括：宾州州立大学化学研究生Juniper Foxley、2019年获宾州州立大学化学博士学位的Patrick Herbert、宾州州立大学埃伯理理学院研究员Jane Knappenberger，以及科罗拉多州立大学的Marcus Tofanelli和Christopher Ackerson。

本研究获得美国空军科研办公室和美国国家科学基金会的资助支持。