Золотые нанокластеры имитируют свойства атомного спина для квантовых вычислений

Новое исследование показывает, как золотые нанокластеры имитируют ключевые свойства наиболее точных систем, используемых в квантовых технологиях, открывая перспективы для масштабируемых квантовых устройств. На фото: золотое ядро кластера (слева вверху) и лиганды (справа внизу). Автор: Knappenberger Lab / Penn State

Эффективность квантовых компьютеров, сенсоров и других устройств часто зависит от свойств электронов, включая их спин. Наиболее точные системы для высокопроизводительных квантовых приложений используют спиновые свойства электронов в захваченных атомах газа, но такие системы сложно масштабировать для крупных устройств, таких как квантовые компьютеры.

Теперь команда исследователей из Университета Пенсильвании и Университета Колорадо продемонстрировала, как золотые нанокластеры могут имитировать эти газообразные атомы, позволяя ученым использовать их спиновые свойства в легко масштабируемой системе.

«Впервые мы показали, что золотые нанокластеры обладают теми же ключевыми спиновыми свойствами, что и современные методы квантовых информационных систем», — заявил Кен Кнаппенбергер, руководитель исследования и профессор химии в Университете Пенсильвании.

Особенно важно, что ученые смогли манипулировать «спиновой поляризацией» в кластерах — свойством, которое обычно фиксировано в материалах. Эти кластеры можно синтезировать в больших количествах, что делает их перспективными для поддержки различных квантовых технологий.

Две статьи, описывающие открытие, опубликованы в журналах ACS Central Science и The Journal of Physical Chemistry Letters.

Спин электрона влияет не только на химические реакции, но и на квантовые вычисления и сенсорику. Направление вращения электрона и его ориентация относительно других электронов напрямую влияют на точность и долговечность квантовых систем.

Современные системы с высокой точностью используют захваченные ионы в газообразном состоянии, которые позволяют электронам переходить в «ридберговские состояния» с высокой спиновой поляризацией. Однако такие системы трудно масштабировать.

«Золотые кластеры имитируют все лучшие свойства газообразных ионов, но при этом их легко масштабировать», — пояснил Кнаппенбергер.

Исследователи изучили кластеры золота с защитным монослоем лигандов, которые можно точно контролировать при синтезе. Эти «суператомы» демонстрируют 19 уникальных спиновых состояний, аналогичных ридберговским.

Спиновая поляризация кластеров варьируется от 7% до 40%, что сравнимо с передовыми двумерными квантовыми материалами. Ученые предполагают, что модификация лигандов позволит настраивать это свойство.

В будущем команда планирует изучить влияние структуры лигандов на спиновые свойства и их тонкую настройку.

«Это новая граница в квантовой информатике, где химики могут проектировать материалы с регулируемыми свойствами», — заключил Кнаппенбергер.

Исследование проводилось при участии Нейтана Смита, Джунипер Фоксли, Патрика Герберта, Джейн Кнаппенбергер и других ученых.

Дополнительная информация: Juniper Foxley et al, Diverse Superatomic Magnetic and Spin Properties of Au144(SC8H9)60 Clusters, ACS Central Science (2025). DOI: 10.1021/acscentsci.5c00139