由NUS的Lu Jiong副教授、Wu Jishan教授等領導團隊成功開發出一種新型碳基量子材料——磁性納米石墨烯。於2024年2月19日發表《Nature Chemistry》上。這一創新設計為量子計算和高密度存儲技術的發展開闢了新道路。
新加坡國立大學 (NUS) 的研究人員開發了一種新的設計概念，用於創建下一代碳基量子材料，其形式是微小的磁性納米石墨烯，具有獨特的蝴蝶形狀，具有高度相關的自旋。
這種新設計有可能加速量子材料的進步，這對於開發複雜的量子計算技術至關重要，這些技術有望徹底改變信息處理和高密度存儲能力。
該團隊由新加坡國立大學化學系和功能智能材料研究所的Lu Jiong副教授、新加坡國立大學化學系Wu Jishan教授以及國際合作者領導。
新加坡國立大學研究人員Lu Jiong副教授（左）、Shaotang Song博士（中）和Wu Jishan教授（右）是多學科研究團隊的成員，該團隊開發了可以推進量子技術的蝴蝶形磁性納米石墨烯，來源：NUS
磁性納米石墨烯是一種由石墨烯分子製成的微小結構，由於碳原子π軌道中特定電子的行為而表現出顯著的磁性。通過在納米尺度上精確設計這些碳原子的排列，可以實現對這些獨特電子行為的控制。
這使得納米石墨烯非常有希望用於製造極小的磁體和製造量子計算機所需的基本構建塊（稱為量子位或量子位）。
研究人員開發的蝴蝶形磁性石墨烯的獨特結構有四個類似於蝴蝶翅膀的圓角三角形，每個翅膀都持有一個不成對的π電子，負責觀察到的磁性。該結構是通過納米結構石墨烯中 π 電子網絡的原子級精確設計實現的。
Lu副教授表示：「磁性納米石墨烯是一種由稠合苯環組成的微小分子，由於其化學多功能性和較長的自旋相干時間，有望作為下一代量子材料來承載令人著迷的量子自旋。」
他還說，在此類系統中創建多個高度糾纏的自旋對於構建可擴展且複雜的量子網絡來說是一項艱巨但必不可少的任務。
這一重大成就是合成化學家、材料科學家和物理學家密切合作的結果，其中包括來自布拉格捷克科學院的關鍵貢獻者 Pavel Jelinek 教授和 Libor Vei 博士。
該研究突破於2024年2月19日發表在科學雜誌《Nature Chemistry》上。
具有高度糾纏自旋的新一代磁性納米石墨烯
納米石墨烯的磁性通常源自其特殊電子（稱為 π 電子）的排列或其相互作用的強度。然而，很難讓這些屬性一起工作來創建多個相關自旋。納米石墨烯還主要表現出奇異的磁序，其中自旋沿相同方向（鐵磁性）或相反方向（反鐵磁性）排列。
研究人員開發了一種方法來克服這些挑戰。他們的蝴蝶形納米石墨烯具有鐵磁和反鐵磁特性，是通過將四個較小的三角形組合成中心的菱形而形成的。納米石墨烯的尺寸約為 3 納米。
「翅膀」上有四個糾纏自旋的磁性「蝴蝶」的視覺印象，來源：NUS
「翅膀」上有四個糾纏自旋的磁性「蝴蝶」的視覺印象，來源：NUS
為了生產「蝴蝶」納米石墨烯，研究人員最初通過傳統的溶液化學設計了一種特殊的分子前體。然後將該前體用於隨後的表面合成，這是一種在真空環境中進行的新型固相化學反應。
這種方法使研究人員能夠在原子水平上精確控制納米石墨烯的形狀和結構。
該研究論文的第一作者Shaotang Song博士利用尖端掃描探針顯微鏡製造了蝴蝶納米石墨烯，來源：NUS
「蝴蝶」納米石墨烯的一個有趣的方面是它有四個不成對的 π 電子，其自旋主要在「翅膀」區域離域並糾纏在一起。研究人員使用帶有二茂鎳尖端的超冷掃描探針顯微鏡作為原子級自旋傳感器，測量了蝴蝶納米石墨烯的磁性。
此外，這項新技術可以幫助科學家直接探測糾纏自旋，以了解納米石墨烯的磁性如何在原子尺度上發揮作用。這一突破不僅解決了現有的挑戰，而且為在最小尺度上精確控制磁性提供了新的可能性，從而在量子材料研究方面取得了令人興奮的進步。
Lu副教授認為，「從這項研究中獲得的見解為創造具有設計師量子自旋結構的新一代有機量子材料鋪平了道路。」
「展望未來，我們的目標是測量單分子水平的自旋動力學和相干時間，並連貫地操縱這些糾纏的自旋。這代表著朝著實現更強大的信息處理和存儲能力邁出了一大步。」Lu副教授補充道。
讓我們來看看這個研究的實驗數據吧~
a. 初始沉積前體的大尺度STM圖像。前體主要吸附在Au(111)的台階邊緣和肘部區域。b. 大尺度STM圖像顯示退火處理後Au(111)表面裝飾的前體1'形成了蝴蝶形產物1和隨機連接的寡聚體。（It = 100 pA，Vs = 1 V），來源：《Nature Chemistry》
統計分析了包括四價、三價、雙價和單價在內的四種產物的產率。分析中包括了53個分子。在分子模型中，通過甲基脫附形成的五邊形環被以綠色突出顯示。綠色箭頭指向BRSTM圖像中的五邊形環。BRSTM圖像是在恆高模式下拍攝的，Vs = 20 mV，來源：《Nature Chemistry》
使用Kolibri傳感器和CO功能化尖端在1.3 K下拍攝的nc-AFM圖像。該圖像在恆高模式下拍攝，振蕩幅度為50 pm（Vs = 1 mV，Q因子約為100 kHz）。比例尺為0.5 nm，來源：《Nature Chemistry》
參考文獻：
Highly entangled polyradical nanographene with coexisting strong correlation and topological frustration，Nature Chemistry(2024)
