新加坡国立大学的研究人员创造了一种新的蝴蝶形状的磁性纳米石墨烯，可以通过更好地控制电子自旋和延长量子比特的相干时间来改善量子计算。

新加坡国立大学（NUS）的研究人员公布了下一代碳基量子材料的突破性设计概念。他们创造了一种微小的、蝴蝶形状的磁性纳米石墨烯，具有高度相关的自旋，展示了量子信息技术进步的巨大潜力。

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π轨道上特定电子的行为而表现出非凡的磁性。与使用重金属制造的传统磁性材料不同，碳的π电子起着独特的作用。在传统磁性材料中，来自d轨道或f轨道的不同类型的电子都参与其中。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磁铁和制造量子计算机发展所必需的基本组件（称为量子比特或量子位）方面非常有前景。在快速运行的同时，高质量的量子比特需要在较长的时间内保持其量子态，即相干时间。众所周知，碳基材料可以延长自旋量子比特的相干时间，因为它们具有两种独特的性质：弱自旋轨道和超精细耦合，可以有效地防止电子自旋的退相干。

由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所的LU Jiong副教授领导的研究小组，与新加坡国立大学化学系的Jishan WU教授以及国际合作者一起，开发了一种设计和制造大型完全融合的蝴蝶形磁性纳米石墨烯的方法。这种独特的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未配对的π电子，负责观察到的磁性。这一成就归功于纳米结构石墨烯中π-电子网络的原子精确设计。

LU Jiong副教授说：“磁性纳米石墨烯是一种由熔融苯环组成的微小分子，由于其化学上的多功能性和较长的自旋相干时间，它作为下一代量子材料具有重要的前景，可以承载迷人的量子自旋。然而，在这样的系统中创建多个高度纠缠的自旋，对于构建可扩展和复杂的量子网络来说是一项艰巨而又必不可少的任务。”

这一重大成就源于合成化学家、材料科学家和物理学家之间的密切合作，其中包括来自布拉格捷克科学院的Pavel Jelinek教授和Libor Vei博士。

这项研究的突破最近发表在科学杂志《自然化学》上。

具有高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源于其特殊电子的排列，称为π电子，或它们相互作用的强度。然而，很难使这些性质一起工作以产生多个相关的自旋。此外，纳米石墨烯主要表现出单一的磁顺序，其中自旋排列在同一方向（铁磁性）或相反方向（反铁磁性）。

研究人员开发了一种新型磁性纳米石墨烯来克服这些挑战。他们创造了一种纳米石墨烯，具有铁磁性和反铁磁性，具有蝴蝶形状，由四个较小的三角形在中心组合成一个菱形，尺寸约为3纳米。

为了制造这种蝴蝶纳米石墨烯，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。该前驱体随后被用于在真空环境下进行的新型固相化学反应 —— 表面合成。这种方法使研究人员能够在原子水平上精确地控制纳米石墨烯的形状和结构。

这种蝴蝶纳米石墨烯的一个有趣之处在于它有四个未配对的π电子，其自旋主要在“翅膀”区域离域并纠缠在一起。研究人员使用带有镍烯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奇特磁性。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开辟了新的可能性，导致量子材料研究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架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，并对这些纠缠自旋进行相干操纵。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的一步。”

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