一只磁性纳米石墨烯蝴蝶准备推进量子技术

新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发了一种新的设计概念，用于创建下一代碳基量子材料，其形式是具有独特蝴蝶形状的微小磁性纳米石墨烯，具有高度相关的自旋。这一新设计有可能加速量子材料的发展，而量子材料对复杂量子计算技术的发展至关重要，有望彻底改变信息处理和高密度存储能力

该团队由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所的陆炯副教授、同样来自新加坡国立大学化工系的吴继山教授以及国际合作者领导。这项研究发表在《自然化学》杂志上

磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子组成的微小结构，由于碳原子中特定电子的行为，它表现出显著的磁性-轨道。通过在纳米尺度上精确设计这些碳原子的排列，可以实现对这些独特电子行为的控制。这使得纳米石墨烯在制造极小的磁体和制造量子计算机所需的基本构建块（称为量子比特或量子位）方面极具前景

研究人员开发的蝴蝶形磁性石墨烯的独特结构有四个类似蝴蝶翅膀的圆形三角形，每个翅膀上都有一个不成对的&pi-负责观察到的磁性的电子。该结构是通过&pi-纳米结构石墨烯中的电子网络

卢副教授说：“磁性纳米石墨烯是一种由稠苯环组成的小分子，由于其化学多功能性和长自旋相干时间，它有望成为下一代量子材料，用于容纳迷人的量子自旋。然而，在这样的系统中产生多个高度纠缠的自旋对于构建可扩展的复杂量子网络来说是一项艰巨而重要的任务。”

这一成就是合成化学家、材料科学家和物理学家密切合作的结果，其中包括布拉格捷克科学院的关键贡献者Pavel Jelinek教授和Libor Vei博士

具有高度纠缠自旋的下一代磁性纳米石墨烯

纳米石墨烯的磁性通常来源于其特殊电子的排列，称为&pi-电子或它们相互作用的强度。然而，很难使这些特性一起工作来创建多个相关的自旋。纳米石墨烯也主要表现出奇异的磁序，其中自旋沿相同方向（铁磁）或相反方向（反铁磁）排列

研究人员开发了一种克服这些挑战的方法。它们的蝴蝶形纳米石墨烯具有铁磁性和反铁磁性，是通过在中心将四个较小的三角形组合成菱形而形成的。纳米石墨烯的尺寸约为3纳米

为了生产“蝴蝶”纳米石墨烯，研究人员最初通过传统的溶液化学设计了一种特殊的分子前体。然后将该前体用于随后的表面合成，这是一种在真空环境中进行的新型固相化学反应。这种方法使研究人员能够在原子水平上精确控制纳米石墨烯的形状和结构

“蝴蝶”纳米石墨烯的一个有趣的方面——它的四个不成对的&pi-电子，其自旋主要在“翅膀”区域离域并纠缠在一起。研究人员使用带有镍基烯尖端的超冷扫描探针显微镜作为原子级自旋传感器，测量了蝴蝶纳米石墨烯的磁性。此外，这项新技术有助于科学家直接探测纠缠自旋，以了解纳米石墨烯的磁性在原子尺度上是如何工作的

这一突破不仅解决了现有的挑战，而且为在最小规模上精确控制磁性开辟了新的可能性，从而在量子材料研究中取得了令人兴奋的进展

“从这项研究中获得的见解为创造具有设计量子自旋结构的新一代有机量子材料铺平了道路。展望未来，我们的目标是在单分子水平上测量自旋动力学和相干时间，并相干地操纵这些纠缠自旋。这代表着朝着实现更强大的信息处理和存储能力迈出了重要一步，”陆副教授说