内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨浪味仙

深度好文：1300字丨7分钟阅读

摘要：新加坡国立大学的研究团队，开发出一种蝴蝶形磁性纳米石墨烯，包含四个具有铁磁和反铁磁相互作用的不成对电子，相较传统的设计方法，新设计能更精确地控制自旋磁行为。这标志着量子材料研究迈出了重要一步，对于开发复杂的量子计算技术至关重要，该研究发表在《自然化学》上。

磁性纳米石墨烯，是一种由石墨烯分子制成的微小结构，磁性通常源于其特殊电子 (称为 π 电子) 的排列或其相互作用的强度。

相较于过渡金属的磁性，纳米石墨烯拥有更高的自旋波刚度、更弱的自旋轨道耦合作用、更长的自旋寿命，使其在自旋电子器件及相关基础研究领域中拥有极大研究潜力，非常适合用于制造极小的磁体、以及量子计算机所需的基本单位——量子比特。

新加坡国立大学卢炯教授表示：“由于其化学多功能性和较长的自旋相干时间，磁性纳米石墨烯作为下一代量子材料具有重要的前景，可以承载令人着迷的量子自旋。然而，它是会产生多个高度纠缠的材料。”

纳米石墨烯具有奇异的磁序，其中自旋沿相同方向（铁磁性）或相反方向（反铁磁性）排列，在研究中，很难让这些属性协同工作来创建多个相关自旋。

对于构建可扩展且复杂的量子网络来说，在此类系统中创建自旋是一项艰巨但必不可少的任务。

新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员开发出一种方法，克服了这一难题。他们合成了一种蝴蝶形磁性纳米石墨烯，该结构的创新配置归功于四个对称的翼状延伸，以菱形为中心，体现了比以往更精确地控制自旋磁行为的方法。

左：“翅膀”上有四个纠缠自旋的磁性“蝴蝶”的视觉印象。右：使用扫描探针显微镜获得的相应原子尺度图像

为了生产“蝴蝶”纳米石墨烯，研究人员先利用传统的溶液化学，设计出一种特殊的分子前体，然后在真空环境中操作新型固相化学反应，将该前体用于随后的表面合成：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点是，它有四个不成对的π电子，其自旋主要在“翅膀”区域离域并纠缠在一起。研究人员使用带有二茂镍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。

这项新技术可以帮助科学家直接探测纠缠自旋，以了解纳米石墨烯的磁性是如何在原子尺度上发挥作用。这一突破不仅解决了现有的挑战，而且为在最小尺度上精确控制磁性提供了新的可能性，从而在量子材料研究方面取得了令人兴奋的进步。

卢炯教授表示：“从这项研究中获得的见解，为创建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，我们的目标是测量单分子水平的自旋动力学和相干时间，并连贯地操纵这些纠缠的自旋。这代表着朝实现更强大的信息处理和存储能力迈出了一大步。”