下一代碳基量子材料  具量子糾纏的磁性蝴蝶

編譯／高晟鈞

由新加坡國立大學多個研究所組成的研究團隊，共同開發並設計了一種創建大型奈米材料的新設計概念，旨在創建下一代碳基量子材料。

這種獨特的量子材料，其結構酷似蝴蝶的翅膀，每個翅膀都持有一個不成對的π電子，賦予材料獨特的磁性與高度自旋特性，有望掀起推動量子資訊科技進步的「蝴蝶效應」。

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磁性奈米石墨烯

磁性奈米石墨烯是一種由石墨烯分子製成的微小結構，由碳原子π軌道（一般重金屬的磁性來自於d、f軌道）中特定電子的行為表現出顯著的磁性。透過在奈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，這使得奈米石墨烯在製造極小的磁鐵和製造量子位元方面非常有前景。

高品質的量子位元需要在快速運行的同時保持較長的量子態持續時間（相干時間）。而眾所皆知，碳基材料由於兩個獨特特性「弱自旋軌道」，有效防止電子自旋退相干的超精細耦合，因此可以延長自旋量子位元的相干時間。

具高度糾纏自旋的下一代

奈米石墨烯的磁性通常源自於其特殊電子（稱為π電子）的排列或其相互作用的強度，然而這些屬性難以同時配合以創建多個相關自旋。此外，奈米石墨烯自旋通常為單向模式磁序，沿著相同方向（鐵磁性）或相反方向（反鐵磁性）排列。

對此，研究團隊通過溶液化學工藝設計出一特殊的分子前體「磁性蝴蝶」，是一種同時具有鐵磁性與反鐵磁性的新型磁性奈米石墨烯，形狀恰似蝴蝶的雙翼，尺寸約為3奈米。這種奈米石墨烯蝴蝶的特別之處就在於，它有四個不成對的π電子，主要游離於雙翼區域，因自旋特性形成量子糾纏。

研究人員使用原子級特殊顯微鏡，成功測量奈米石墨烯蝴蝶的奇異磁性，直接探測其量子糾纏與自旋，幫助了解以了解奈米石墨烯的磁性如何在原子尺度上發揮作用。這項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，進而在量子材料研究中取得了令人興奮的進步。

資料來源:Innovations

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