微型金"超原子"或可点燃量子革命

"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、教授兼研究团队负责人肯·克纳彭伯格（Ken Knappenberger）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，该特性通常在材料中是固定的。这些团簇可以相对容易地大量合成，使得这项工作成为一个有前景的概念验证，表明金团簇可用于支持多种量子应用。"

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《物理化学快报杂志》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。

"电子的自旋不仅影响重要的化学反应，还影响诸如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专业研究生、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。"

类似于地球围绕其相对于太阳倾斜的轴自转，电子也能围绕其轴线自旋，该轴线可能相对于其原子核倾斜。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它们的倾斜角度一致时，这些电子被视为相关，此时该材料被认为具有高度的自旋极化。

"具有高度相关电子（即高度自旋极化）的材料能够将这种相关性维持更长时间，从而保持更长时间的准确性，"史密斯说。

目前在量子信息系统中实现高精度和低误差的最先进系统涉及处于气态的俘获原子离子（带电荷的原子）。该系统允许电子被激发到不同的能级，称为里德伯态（Rydberg states），此类能态具有非常特定的、可持续很长时间的自旋极化。它还允许电子叠加，即电子在被测量之前同时存在于多种状态，这是量子系统的关键特性。

"这些被俘获的气态离子本质上是稀薄的，这使得它们非常难以规模化，"克纳彭伯格说。"固体材料所需的凝聚相，根据定义，会将原子紧密堆积在一起，从而失去那种稀薄特性。因此，扩大规模提供了所有正确的电子成分，但这些系统变得对环境干扰非常敏感。环境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，我们发现金团簇能够模拟俘获气态离子的所有最佳特性，同时还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深入研究，但对其磁性和自旋相关特性的了解较少。在当前的研究中，研究人员专门探索了单层保护团簇（monolayer-protected clusters），这些团簇具有一个金核心，并被其他称为配体（ligands）的分子所包围。研究人员能够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。

"这些团簇被称为超原子（super atoms），因为它们的电子特性类似于原子，而现在我们知道它们的自旋特性也相似，"史密斯说。"我们确定了19种可区分且独特的、类似里德伯态的自旋极化态，它们模拟了我们在俘获的、气相稀薄离子中可以实现的那种叠加。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度。虽然一种金团簇的自旋极化度为7%，但一种具有不同配体的团簇接近40%的自旋极化度，克纳彭伯格称这与一些领先的二维量子材料具有竞争力。

"这告诉我们，电子的自旋特性与配体的振动密切相关，"克纳彭伯格说。"传统上，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，我们可以修饰这些金团簇的配体来广泛调节这一特性。"

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，以及如何操控它们以微调自旋特性。

"量子领域通常由物理学和材料科学的研究人员主导，而在这里我们看到了化学家利用合成技能设计具有可调结果材料的机会，"克纳彭伯格说。"这是量子信息科学的一个新前沿。"

除了史密斯和克纳彭伯格，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·克纳彭伯格（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（Air Force Office of Scientific Research）和美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）为这项研究提供了资助。