微小的黄金“超级原子”可能引发量子革命
量子计算机、传感器和其他应用的效率通常取决于电子的特性，包括它们的旋转方式。 用于高性能量子应用的最精确系统之一依赖于利用气体中捕获的原子电子的自旋特性，但这些系统很难扩展以用于量子计算机等更大的量子设备。 现在，来自宾夕法尼亚州立大学和科罗拉多州立大学的一组研究人员已经证明了黄金如何Cluster可以模拟这些气态的、被捕获的原子，使科学家能够在一个可以轻松放大的系统中利用这些自旋特性。 “我们首次表明，金纳米团簇具有与当前最先进的量子信息系统方法相同的关键自旋特性，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院系主任兼化学教授兼研究团队负责人 Ken Knappenberger 说。 “令人兴奋的是，我们还可以纵这些簇中称为自旋极化的重要特性，通常固定在材料中。 这些簇可以很容易地相对大量地合成，使这项工作成为金簇可用于支持各种量子应用的有前途的概念验证。 两篇描述金簇并证实其自旋特性的论文发表在ACS Central Science、ACS Central Science和The Journal of Physical Chemistry Letters上。 “一个电子的自旋不仅影响重要的化学反应，还影响计算和传感等量子应用，“宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院化学研究生、其中一篇论文的第一作者内特·史密斯说。 “电子自旋的方向及其相对于系统中其他电子的排列可以直接影响量子信息系统的准确性和寿命。” 就像地球绕其倾斜的轴旋转一样相对于太阳，电子可以绕其轴旋转，而其轴可以相对于其原子核倾斜。 但与地球不同的是，电子可以顺时针或逆时针旋转。 当材料中的许多电子沿同一方向旋转并且它们的倾斜对齐时，电子被认为是相关的，并且据说该材料具有高度的自旋极化。 “具有高度相关、高度自旋极化的电子的材料可以保持这种相关性的时间更长，从而在更长时间内保持准确，“史密斯说。 目前在量子信息系统中实现高精度和低误差的最先进的系统涉及气态的捕获原子离子（带电荷的原子）。 该系统允许电子被激发到不同的能级，称为里德堡态，它具有非常特殊的自旋极化，可以持续很长时间。 它还允许电子的叠加，电子在被测量之前同时以多种状态存在，这是量子系统的关键特性。 “这些被捕获的气态离子本质上是稀释的，这使得它们很难扩大规模，”Knappenberger 说。 “根据定义，固体材料所需的凝聚相将原子堆积在一起，失去稀释性质。 因此，扩大规模提供了所有正确的电子成分，但这些系统对来自环境的干扰。 环境基本上会将您编码到系统中的所有信息进行加扰，因此错误率变得非常高。 在这项研究中，我们发现金簇可以模仿捕获的气态离子的所有最佳特性，并具有可扩展性的优势。 科学家们深入研究了金纳米结构在光学技术、传感、治疗和加速化学反应方面的潜在用途，但人们对它们知之甚少磁性和自旋相关性质。 在目前的研究中，研究人员专门探索了单层保护簇，这些簇具有金核，并被称为配体的其他分子包围。 研究人员可以精确控制这些簇的构建，并且可以一次合成相对大量的。 “这些簇被称为超级原子，因为它们的电子特性类似于原子，现在我们知道它们的自旋特性是也类似，“史密斯说。 “我们确定了 19 种可区分且独特的类里德堡自旋极化态，它们模仿了我们可以在捕获的气相稀离子中进行的叠加位置。 这意味着集群具有执行基于自旋的作所需的关键属性。 研究人员使用与传统原子类似的方法确定了金簇的自旋极化。 虽然一种类型的金簇具有 7% 的自旋极化，但具有不同配体接近 40% 的自旋极化，Knappenberger 表示，这与一些领先的二维量子材料具有竞争力。 “这告诉我们，电子的自旋特性与配体的振动密切相关，”Knappenberger 说。 “传统上，量子材料具有固定的自旋极化值，无法显着改变，但我们的结果表明，我们可以修改这些金簇的配体，以广泛调整这一特性。” 研究小组计划探索配体内的不同结构如何影响自旋极化，以及如何纵它们来微调自旋特性。 “量子领域通常由物理学和材料科学的研究人员主导，在这里我们看到了化学家利用我们的合成技能来设计具有可调结果的材料的机会，”Knappenberger 说。 “这是量子信息科学的新领域。” 除了史密斯和Knappenberger，研究团队包括宾夕法尼亚州立大学化学研究生 Juniper Foxley; 帕特里克·赫伯特 （Patrick Herbert），2019 年在宾夕法尼亚州立大学获得化学博士学位; 简·纳彭伯格（Jane Knappenberger），宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院研究员; 以及科罗拉多州 的 Marcus Tofanelli 和 Christopher Ackerson，空军科学研究办公室和美国的资助 美国国家科学基金会支持这项研究。