近日，新加坡國立大學(xué)蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）能源與環(huán)境納米科技創(chuàng)新平臺(tái)高級研究員呂炯及團(tuán)隊(duì)成員在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）上發(fā)表研究成果，在量子信息技術(shù)領(lǐng)域取得新突破。研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的設(shè)計(jì)理念，旨在制造具有高度糾纏自旋的新一代磁性納米石墨烯，即“蝴蝶烯”。這種新設(shè)計(jì)可以加速量子材料和量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有助于將信息處理和高密度存儲(chǔ)能力達(dá)到前所未有的水平。

研究背景

磁性納米石墨烯是一種由石墨烯分子構(gòu)成的微小結(jié)構(gòu)，因其碳原子π軌道中特定電子的行為而具有獨(dú)特的磁性。通過在納米尺度上精確設(shè)計(jì)這些碳原子的排列，可以實(shí)現(xiàn)對這些獨(dú)特電子行為的控制。這使得納米石墨烯在制造超小型磁鐵和制造量子計(jì)算機(jī)所需的基本構(gòu)件（稱為量子比特或量子位）方面具有巨大的潛力。納米石墨烯主要表現(xiàn)出自旋沿相同方向（鐵磁性）或相反方向（反鐵磁性）排列的不同尋常的磁性秩序，然而，要使這些特性共同作用來產(chǎn)生多個(gè)相關(guān)自旋卻很困難。

▲新一代磁性納米石墨烯的設(shè)計(jì)理念

研究結(jié)果

為了克服這一挑戰(zhàn)，呂炯副教授及其研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種用于制造下一代碳基量子材料的新的設(shè)計(jì)理念。這種量子材料是一種微小的蝴蝶形磁性納米石墨烯，可承載高度相關(guān)的自旋。通過對納米結(jié)構(gòu)石墨烯中的π電子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行原子精度設(shè)計(jì)，“蝴蝶烯”的四個(gè)未成對π電子的自旋主要分散在"蝴蝶翅膀"上并糾纏在一起。

▲“蝴蝶“分子的合成與表征

應(yīng)用前景

這項(xiàng)新技術(shù)有助于科研人員直接探測糾纏自旋，從而了解納米石墨烯的磁性如何在原子尺度上發(fā)揮作用。這一突破不僅解決了現(xiàn)有難題，而且為在最小尺度上精確控制磁性開辟了新的可能性，從而推動(dòng)量子信息技術(shù)的發(fā)展。

新國大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術(shù)，開展原創(chuàng)性、應(yīng)用性研究，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)關(guān)聯(lián)，與蘇州工業(yè)園區(qū)及地方科技深融入，已建立生物醫(yī)療與健康、能源與環(huán)境納米兩大科技創(chuàng)新平臺(tái)。新國大蘇研院致力于推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化落地工作，希望通過研究產(chǎn)生有影響力的高科技創(chuàng)新產(chǎn)品，賦能地方產(chǎn)業(yè)升級。目前，研究院承擔(dān)各級科研項(xiàng)目170余項(xiàng)，在國際著名期刊發(fā)表了1200余篇有影響力的科研論文，其中4篇發(fā)表在Nature母刊，36篇發(fā)表在Nature子刊。