微小的金"超原子"可能引发量子革命

"我们首次证明，金纳米团簇拥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Ken Knappenberger教授表示。"令人振奋的是，我们还能调控这些团簇中称为自旋极化的重要性质——该性质通常在材料中是固定的。这些团簇可相对大量地轻松合成，使此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于ACS Central Science、ACS Central Science和The Journal of Physical Chemistry Letters。

"电子自旋不仅影响重要化学反应，还作用于量子计算与传感等量子应用，"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Nate Smith解释道。"电子自旋方向及其相对于系统中其他电子的排列方式，会直接影响量子信息系统的精度与寿命。"

如同地球围绕相对于太阳倾斜的自转轴旋转，电子也可围绕相对于其原子核倾斜的自旋轴旋转。但不同于地球的是，电子可顺时针或逆时针自旋。当材料中多数电子同向自旋且倾斜方向一致时，这些电子被视为相关，此时材料被认为具有高度自旋极化。

"具有高度相关电子和高自旋极化度的材料能维持这种关联性更长时间，从而保持更持久的精确性，"Smith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采用气态囚禁离子（带电荷原子）。该系统可使电子激发至不同能级（称为里德堡态），这些态具有可长期维持的特定自旋极化。同时允许电子处于叠加态（在测量前同时存在于多种状态），这是量子系统的关键特性。

"这些气态囚禁离子本质上是稀薄的，因此难以扩展规模，"Knappenberger指出。"固体材料所需的凝聚相必然使原子紧密堆积，丧失稀薄特性。虽然扩大规模提供了理想的电子要素，但这些系统对环境干扰极为敏感。环境因素会扰乱所有编码信息，导致错误率飙升。本研究发现金团簇能模拟囚禁气态离子的所有最优特性，同时具备可扩展性优势。"

科学家已深入研究了金纳米结构在光学技术、传感、治疗及催化反应加速方面的潜力，但其磁性与自旋相关特性研究较少。本次研究特别探索了单层保护团簇——该结构以金为核心，外围环绕称为配体的其他分子。研究人员可精确控制团簇构建，并能一次性合成较大量样品。

"这些团簇被称为超级原子，因其电子特性类似原子，现在我们发现其自旋特性也相似，"Smith阐述道。"我们鉴定出19种可区分的独特类里德堡自旋极化态，它们模拟了气态稀薄囚禁离子中的叠加态。这表明团簇具备执行自旋操作所需的关键特性。"

研究人员采用与传统原子类似的方法测定金团簇的自旋极化度。某类金团簇具有7%的自旋极化度，而含不同配体的团簇接近40%——Knappenberger指出该数值可与领先的二维量子材料媲美。

"这证明电子自旋特性与配体振动密切相关，"Knappenberger强调。"传统量子材料的自旋极化度具有无法显著改变的固定值，但我们的结果表明可通过修饰金团簇配体来广泛调控该性质。"

研究团队计划探索配体内部不同结构如何影响自旋极化，以及如何通过调控实现自旋特性的微调。

"量子领域通常由物理和材料科学研究者主导，而我们看到化学家有机会运用合成技能设计性能可调的材料，"Knappenberger展望道。"这开辟了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学研究办公室和美国国家科学基金会的资助。