新一代磁性纳米石墨烯 | 新国大苏研院吕炯团队在《自然·化学》发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）能源与环境纳米科技创新平台高级研究员吕炯及团队成员在国际学术期刊《自然·化学》（Nature Chemistry）上发表研究成果，在量子信息技术领域取得新突破。研究团队提出一种全新的设计理念，旨在制造具有高度纠缠自旋的新一代磁性纳米石墨烯，即“蝴蝶烯”。这种新设计可以加速量子材料和量子计算技术的发展，有助于将信息处理和高密度存储能力达到前所未有的水平。

研究背景

磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子构成的微小结构，因其碳原子π轨道中特定电子的行为而具有独特的磁性。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。这使得纳米石墨烯在制造超小型磁铁和制造量子计算机所需的基本构件（称为量子比特或量子位）方面具有巨大的潜力。纳米石墨烯主要表现出自旋沿相同方向（铁磁性）或相反方向（反铁磁性）排列的不同寻常的磁性秩序，然而，要使这些特性共同作用来产生多个相关自旋却很困难。

▲新一代磁性纳米石墨烯的设计理念

研究结果

为了克服这一挑战，吕炯副教授及其研究团队开发出一种用于制造下一代碳基量子材料的新的设计理念。这种量子材料是一种微小的蝴蝶形磁性纳米石墨烯，可承载高度相关的自旋。通过对纳米结构石墨烯中的π电子网络进行原子精度设计，“蝴蝶烯”的四个未成对π电子的自旋主要分散在"蝴蝶翅膀"上并纠缠在一起。

▲“蝴蝶“分子的合成与表征

应用前景

这项新技术有助于科研人员直接探测纠缠自旋，从而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难题，而且为在最小尺度上精确控制磁性开辟了新的可能性，从而推动量子信息技术的发展。

新国大苏研院的科研工作聚焦前沿技术，开展原创性、应用性研究，与产业发展强关联，与苏州工业园区及地方科技深融入，已建立生物医疗与健康、能源与环境纳米两大科技创新平台。新国大苏研院致力于推动科技成果转化落地工作，希望通过研究产生有影响力的高科技创新产品，赋能地方产业升级。目前，研究院承担各级科研项目170余项，在国际著名期刊发表了1200余篇有影响力的科研论文，其中4篇发表在Nature母刊，36篇发表在Nature子刊。