▲由新加坡国立大学的研究人员吕炯副教授（左）、宋少堂博士（中）和吴继善教授（右）组成的一支跨学科研究团队，成功开发出蝴蝶形磁性纳米石墨烯，有望推动量子技术的进一步发展。

新加坡国立大学的研究人员开发出一种新的设计理念，用于制造下一代碳基量子材料。这种材料以微小的磁性纳米石墨烯形式存在，具有独特的蝶形结构，可承载高度相关的自旋。这一新设计为量子材料的未来发展注入了新动力，而量子材料对于尖端量子计算技术的发展至关重要，有望革命性提升信息处理和高密度存储能力。

该团队由来自新加坡国立大学化学系 (NUS Department of Chemistry) 和功能智能材料研究院 (Institute for Functional Intelligent Materials) 的吕炯 (Lu Jiong) 副教授领导，团队成员包括同为新国大化学系的吴继善 (Wu Jishan) 教授以及国际合作者。

磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子构成的微小结构，由于碳原子π轨道中特定电子的行为而具有显著的磁性。通过纳米尺度上对这些碳原子排列的精准操控，研究人员能够实现对这些独特电子行为的精确控制。这使得纳米石墨烯在制造极小磁体和制造量子计算机所需的基本构件——量子比特或量子位方面展现出巨大的潜力。

研究人员开发的蝶形磁性石墨烯结构独特，具有四个类似蝴蝶翅膀的圆弧三角形，每个翅膀上都存在一个未配对的π电子，正是这些电子导致了观察到的磁性。这种结构是通过对纳米结构石墨烯中的π电子网络进行原子精度设计而实现的。

吕炯副教授表示：“磁性纳米石墨烯是一种由融合苯环组成的微小分子，由于其多变的化学性质和较长的自旋相干时间，有望成为承载奇妙的量子自旋的下一代量子材料。然而，在这种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而言，是一项艰巨但又必不可少的任务。”

这项重大成就得益于合成化学家、材料科学家和物理学家的密切合作，其中包括位于布拉格的捷克科学院的 Pavel Jelinek 教授和 Libor Vei 博士等主要贡献者。

这项研究突破发表在2024年2月19日出版的科学杂志《自然-化学》(Nature Chemistry) 上。

【具有高度纠缠自旋的新一代磁性纳米石墨烯】

纳米石墨烯的磁性通常来自于其特殊电子——π电子的排列或其相互作用的强度。然而，要实现这些特性协同作用以产生多个相关的自旋却很困难。纳米石墨烯还主要表现出一种单向的磁序，即其自旋要么朝同一方向排列（铁磁性），要么朝相反方向排列（反铁性）。

为了克服这些挑战，研究人员开发了一种创新的方法。他们的蝶形纳米石墨烯同时具有铁磁性和反铁磁性，是通过将四个较小的三角形在中心组合成一个菱形而形成的。这种纳米石墨烯的大小约为3纳米。


▲左：磁性“蝴蝶”的视觉印象，“翅膀”上有四个纠缠自旋；右：利用扫描探针显微镜获得的相应原子级图像。

在制造“蝴蝶”纳米石墨烯的过程中，研究人员首先借助传统的溶液化学方法，设计出了一种独特的分子前体。这种前体随后被用于表面合成，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。

▲研究论文的第一作者宋少堂博士用最先进的扫描探针显微镜制造“蝴蝶”纳米石墨烯。

“蝴蝶”纳米石墨烯一个引人注目的特征在于其四个未配对的π电子，其自旋主要分散在“翅膀”区域并纠缠在一起。研究人员利用带有二茂镍尖端的超冷扫描探针显微镜作为原子尺度自旋传感器，测量了“蝴蝶”纳米石墨烯的磁性。此外，这项新技术还有助于科学家直接探测纠缠自旋，从而深入理解纳米石墨烯在原子尺度上的磁性表现。这一突破不仅解决了现有难题，而且为在最小尺度上精确控制磁性开辟了新的可能性，从而推动量子材料研究取得令人振奋的进展。

吕炯副教授补充道：“这项研究的成果为设计新型量子自旋结构的有机量子材料的创造铺平了道路。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，并连贯地操纵这些纠缠的自旋。这标志着我们在实现更强大的信息处理和存储能力方面迈出了重要一步。”


（来源：NUS新加坡国立大学微信公众号）