由NUS的Lu Jiong副教授、Wu Jishan教授等领导团队成功开发出一种新型碳基量子材料——磁性纳米石墨烯。于2024年2月19日发表《Nature Chemistry》上。这一创新设计为量子计算和高密度存储技术的发展开辟了新道路。
新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员开发了一种新的设计概念，用于创建下一代碳基量子材料，其形式是微小的磁性纳米石墨烯，具有独特的蝴蝶形状，具有高度相关的自旋。
这种新设计有可能加速量子材料的进步，这对于开发复杂的量子计算技术至关重要，这些技术有望彻底改变信息处理和高密度存储能力。
该团队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、新加坡国立大学化学系Wu Jishan教授以及国际合作者领导。
新加坡国立大学研究人员Lu Jiong副教授（左）、Shaotang Song博士（中）和Wu Jishan教授（右）是多学科研究团队的成员，该团队开发了可以推进量子技术的蝴蝶形磁性纳米石墨烯，来源：NUS
磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子制成的微小结构，由于碳原子π轨道中特定电子的行为而表现出显著的磁性。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。
这使得纳米石墨烯非常有希望用于制造极小的磁体和制造量子计算机所需的基本构建块（称为量子位或量子位）。
研究人员开发的蝴蝶形磁性石墨烯的独特结构有四个类似于蝴蝶翅膀的圆角三角形，每个翅膀都持有一个不成对的π电子，负责观察到的磁性。该结构是通过纳米结构石墨烯中 π 电子网络的原子级精确设计实现的。
Lu副教授表示：“磁性纳米石墨烯是一种由稠合苯环组成的微小分子，由于其化学多功能性和较长的自旋相干时间，有望作为下一代量子材料来承载令人着迷的量子自旋。”
他还说，在此类系统中创建多个高度纠缠的自旋对于构建可扩展且复杂的量子网络来说是一项艰巨但必不可少的任务。
这一重大成就是合成化学家、材料科学家和物理学家密切合作的结果，其中包括来自布拉格捷克科学院的关键贡献者 Pavel Jelinek 教授和 Libor Vei 博士。
该研究突破于2024年2月19日发表在科学杂志《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源自其特殊电子（称为 π 电子）的排列或其相互作用的强度。然而，很难让这些属性一起工作来创建多个相关自旋。纳米石墨烯还主要表现出奇异的磁序，其中自旋沿相同方向（铁磁性）或相反方向（反铁磁性）排列。
研究人员开发了一种方法来克服这些挑战。他们的蝴蝶形纳米石墨烯具有铁磁和反铁磁特性，是通过将四个较小的三角形组合成中心的菱形而形成的。纳米石墨烯的尺寸约为 3 纳米。
“翅膀”上有四个纠缠自旋的磁性“蝴蝶”的视觉印象，来源：NUS
“翅膀”上有四个纠缠自旋的磁性“蝴蝶”的视觉印象，来源：NUS
为了生产“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。然后将该前体用于随后的表面合成，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。
该研究论文的第一作者Shaotang Song博士利用尖端扫描探针显微镜制造了蝴蝶纳米石墨烯，来源：NUS
“蝴蝶”纳米石墨烯的一个有趣的方面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。
此外，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。
Lu副教授认为，“从这项研究中获得的见解为创造具有设计师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。这代表着朝着实现更强大的信息处理和存储能力迈出了一大步。”Lu副教授补充道。
让我们来看看这个研究的实验数据吧~
a. 初始沉积前体的大尺度STM图像。前体主要吸附在Au(111)的台阶边缘和肘部区域。b. 大尺度STM图像显示退火处理后Au(111)表面装饰的前体1'形成了蝴蝶形产物1和随机连接的寡聚体。（It = 100 pA，Vs = 1 V），来源：《Nature Chemistry》
统计分析了包括四价、三价、双价和单价在内的四种产物的产率。分析中包括了53个分子。在分子模型中，通过甲基脱附形成的五边形环被以绿色突出显示。绿色箭头指向BRSTM图像中的五边形环。BRSTM图像是在恒高模式下拍摄的，Vs = 20 mV，来源：《Nature Chemistry》
使用Kolibri传感器和CO功能化尖端在1.3 K下拍摄的nc-AFM图像。该图像在恒高模式下拍摄，振荡幅度为50 pm（Vs = 1 mV，Q因子约为100 kHz）。比例尺为0.5 nm，来源：《Nature Chemistry》
参考文献：
Highly entangled polyradical nanographene with coexisting strong correlation and topological frustration，Nature Chemistry(2024)
