"Впервые мы показываем, что нанокластеры золота обладают теми же ключевыми спиновыми свойствами, что и современные методы для квантовых информационных систем", - сказал Кен Кнаппенбергер, заведующий кафедрой и профессор химии в научном колледже Эберли штата Пенсильвания и руководитель исследовательской группы. "Интересно, что мы также можем манипулировать важным свойством, называемым спиновой поляризацией в этих кластерах, которое обычно фиксируется в материале. Эти кластеры могут быть легко синтезированы в относительно больших количествах, что делает эту работу многообещающим доказательством концепции того, что золотые кластеры могут быть использованы для поддержки различных квантовых приложений".

Две статьи, описывающие золотые кластеры и подтверждающие их спиновые свойства, появились в ACS Central Science, ACS Central Science и Journal of Physical Chemistry Letters.

"Спин электрона влияет не только на важные химические реакции, но и на квантовые приложения, такие как вычисления и зондирование", - сказал Нейт Смит, аспирант по химии в научном колледже Эберли штата Пенсильвания и первый автор одной из статей. "Направление вращения электрона и его ориентация относительно других электронов в системе могут напрямую влиять на точность и долговечность квантовых информационных систем".

Подобно тому, как Земля вращается вокруг своей оси, которая наклонена относительно Солнца, электрон может вращаться вокруг своей оси, которая может быть наклонена относительно его ядра. Но в отличие от Земли, электрон может вращаться по часовой стрелке или против нее. Когда много электронов в материале вращаются в одном направлении и их наклон выровнен, электроны считаются коррелированными, и говорят, что материал обладает высокой степенью спиновой поляризации.

"Материалы с электронами, которые сильно коррелированы, с высокой степенью спиновой поляризации, могут поддерживать эту корреляцию в течение гораздо более длительного времени и, таким образом, оставаться точными гораздо дольше", - сказал Смит.

Современная система, обеспечивающая высокую точность и низкий уровень ошибок в квантовых информационных системах, использует захваченные атомарные ионы - атомы с электрическим зарядом - в газообразном состоянии. Эта система позволяет возбуждать электроны до различных энергетических уровней, называемых ридберговскими состояниями, которые имеют очень специфическую спиновую поляризацию, которая может сохраняться в течение длительного периода времени. Это также допускает суперпозицию электронов, причем электроны существуют в нескольких состояниях одновременно до тех пор, пока они не будут измерены, что является ключевым свойством квантовых систем.

"Эти захваченные газообразные ионы по своей природе разбавлены, что затрудняет их масштабирование", - сказал Кнаппенбергер. "Конденсированная фаза, необходимая для твердого материала, по определению, собирает атомы вместе, теряя эту разреженную природу. Таким образом, масштабирование обеспечивает все необходимые электронные компоненты, но эти системы становятся очень чувствительными к помехам со стороны окружающей среды. Среда в основном скремблирует всю информацию, которую вы закодировали в систему, поэтому частота ошибок становится очень высокой. В этом исследовании мы обнаружили, что золотые кластеры могут имитировать все лучшие свойства захваченных газообразных ионов с преимуществом масштабируемости".

Ученые тщательно изучили золотые наноструктуры на предмет их потенциального использования в оптических технологиях, сенсорике, терапии и для ускорения химических реакций, но об их магнитных и спин-зависимых свойствах известно меньше. В текущих исследованиях исследователи специально исследовали кластеры, защищенные монослоем, которые имеют ядро из золота и окружены другими молекулами, называемыми лигандами. Исследователи могут точно контролировать построение этих кластеров и синтезировать относительно большие количества за один раз.

"Эти кластеры называются суператомами, потому что их электронный характер подобен атомному, и теперь мы знаем, что их спиновые свойства также схожи", - сказал Смит. "Мы идентифицировали 19 различимых и уникальных ридберговских спин-поляризованных состояний, которые имитируют суперпозиции, которые мы могли бы создать в захваченных разбавленных ионах газовой фазы. Это означает, что кластеры обладают ключевыми свойствами, необходимыми для выполнения операций, основанных на вращении".

Исследователи определили спиновую поляризацию золотых кластеров, используя аналогичный метод, используемый с традиционными атомами. В то время как один тип золотых кластеров имел 7% спиновой поляризации, кластер с другим лигандом приближался к 40% спиновой поляризации, что, по словам Кнаппенбергера, конкурирует с некоторыми ведущими двумерными квантовыми материалами.

"Это говорит нам о том, что спиновые свойства электрона тесно связаны с колебаниями лигандов", - сказал Кнаппенбергер. "Традиционно квантовые материалы имеют фиксированное значение спиновой поляризации, которое не может быть существенно изменено, но наши результаты показывают, что мы можем модифицировать лиганд этих золотых кластеров, чтобы широко настроить это свойство".

Исследовательская группа планирует изучить, как различные структуры внутри лигандов влияют на спиновую поляризацию и как ими можно манипулировать для точной настройки спиновых свойств.

"В квантовой области, как правило, доминируют исследователи в области физики и материаловедения, и здесь мы видим возможность для химиков использовать наши навыки синтеза для создания материалов с настраиваемыми результатами", - сказал Кнаппенбергер. "Это новый рубеж в квантовой информатике".

Помимо Смита и Кнаппенбергера, в исследовательскую группу входят Джунипер Фоксли, аспирантка по химии в Пенсильванском государственном университете; Патрик Херберт, получивший докторскую степень по химии в Пенсильванском государственном университете в 2019 году; Джейн Кнаппенбергер, исследователь в научном колледже Эберли в Пенсильванском государственном университете; а также Маркус Тофанелли и Кристофер Акерсон в Пенсильванском государственном университете. Штат Колорадо

Это исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом США.