微小金质"超级原子"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，"宾州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·纳彭伯格（Ken Knappenberger）表示。"令人振奋的是，我们还能操控这些团簇中一个名为自旋极化的重要属性，该属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，因此这项工作是一个极具前景的概念验证，表明金纳米团簇可用于支持多种量子应用。"

两篇描述金纳米团簇并证实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，还影响量子计算和传感等应用，"宾州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。"

类似于地球绕其相对于太阳倾斜的轴自转，电子也可绕其相对于原子核倾斜的轴自旋。但与地球不同，电子可顺时针或逆时针自旋。当材料中许多电子以相同方向自旋且倾斜方向一致时，这些电子被视为关联的，此时该材料被认为具有高度的自旋极化。

"电子高度关联且具有高度自旋极化的材料，能维持这种关联性更长时间，因此保持准确性的时间也大大延长，"史密斯说。

当前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囚禁气态离子——带电荷的原子。该系统允许电子被激发到不同能级（称为里德堡态），这些能级具有特定的自旋极化特性并可维持很长时间。它还能实现电子叠加态，即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。

"这些被囚禁的气态离子本质上是稀疏的，因此难以扩展规模，"纳彭伯格说。"固体材料所需的凝聚相，其定义就是将原子紧密堆积，丧失了稀疏特性。因此，扩大规模虽能提供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。环境基本上会扰乱所有编码到系统中的信息，导致错误率变得非常高。在本研究中，我们发现金纳米团簇能模拟囚禁气态离子的所有最佳特性，同时具备可扩展性的优势。"

科学家们已深入研究了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力，但对其磁性和自旋相关特性的了解较少。在当前研究中，研究人员重点探索了单层保护簇——以金为核心，外围被其他分子（称为配体）包围。研究人员可精确控制这些团簇的结构，并能一次性合成相对大量的样品。

"这些团簇被称为超原子，因为它们的电子特性类似于原子，现在我们发现其自旋特性也相似，"史密斯说。"我们识别出19种可区分且独特的类里德堡自旋极化态，它们模拟了我们在囚禁气态稀疏离子中实现的叠加态。这意味着这些团簇具备执行基于自旋的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了金纳米团簇的自旋极化率。一种金纳米团簇的自旋极化率为7%，而含有不同配体的团簇则接近40%。纳彭伯格指出，这与一些领先的二维量子材料相比具有竞争力。

"这表明电子的自旋特性与配体的振动密切相关，"纳彭伯格说。"传统量子材料的自旋极化率是固定值且无法显著改变，但我们的结果表明，可通过修饰这些金纳米团簇的配体来广泛调控该特性。"

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率，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，而我们看到化学家有机会运用合成技能设计具有可调结果的材料，"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：宾州州立大学化学研究生朱尼珀·福克斯利（Juniper Foxley）；2019年获宾州州立大学化学博士学位的帕特里克·赫伯特（Patrick Herbert）；宾州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·阿克尔森（Christopher Ackerson）。

本研究获得了美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会的资助。