Эффективность квантовых компьютеров, сенсоров и других устройств во многом зависит от электронов, а точнее — от их вращения, или спина. Самые точные системы для таких применений сегодня используют свойства электронов отдельных атомов, которые удерживают в специальных газовых ловушках. Но у этих систем есть большой минус: их практически невозможно масштабировать для создания больших устройств вроде квантовых компьютеров.

Группа ученых из Университета Пенсильвании и Университета Колорадо нашла возможное решение. Они показали, что крошечные частицы золота — нанокластеры — могут вести себя так же, как и те самые атомы в газе. Это открывает дорогу к созданию масштабируемых квантовых систем.

Впервые мы доказали, что золотые нанокластеры обладают ключевыми спиновыми свойствами, которые раньше были прерогативой самых передовых, но сложных методов, — говорит Кен Наппенбергер, руководитель исследования и профессор химии. — Что особенно важно, мы научились управлять степенью спиновой поляризации в этих кластерах. Обычно это свойство жестко зафиксировано в материале, а здесь мы можем его настраивать. Эти кластеры относительно просто синтезировать в больших количествах, так что наше открытие — многообещающее доказательство концепции.

Результаты работы опубликованы в двух статьях в журналах ACS Central Science и The Journal of Physical Chemistry Letters.

Спин электрона — это его внутреннее вращение, напоминающее вращение Земли вокруг своей оси. Только электрон может вращаться в двух противоположных направлениях. Когда множество электронов в материале вращаются согласованно, в одном направлении, их спины называют коррелированными, а сам материал — высокополяризованным.

Чем выше степень согласованности спинов, тем дольше система может сохранять квантовую информацию и тем точнее она работает, — объясняет Нейт Смит, аспирант и соавтор работы.

Современные высокоточные системы используют ионы atoms, пойманные в газовые ловушки. В них электроны можно переводить в особые возбужденные состояния (Ридберговские), которые обладают идеальной спиновой поляризацией и долгим временем жизни. Однако такая газовая система по своей природе разрежена, и собрать из нее большое устройство — огромная проблема.

Золотые нанокластеры, которые изучали ученые, — это «суператомы». У них есть золотое ядро, окруженное оболочкой из других молекул (лигандов). Их электронные свойства напоминают свойства отдельных атомов, и теперь выяснилось, что спиновые — тоже.

Мы обнаружили 19 различных состояний со спиновой поляризацией, которые mimic то, что мы делаем с ионами в газе. Это значит, что у кластеров есть ключевые свойства для выполнения спиновых операций, — говорит Смит.

Степень спиновой поляризации в кластерах оказалась высокой.

В одном случае она составила 7%, а в другом, с иным лигандом, достигла 40%, что конкурентоспособно с лучшими двумерными квантовыми материалами.

Это говорит нам, что спиновые свойства электрона тесно связаны с колебаниями лигандов, — заключает Наппенбергер. — Теперь мы можем менять лиганды, чтобы тонко настраивать нужные нам свойства. Для химиков это новая frontier в квантовой информатике.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости материаловедения и инженерии. Если традиционные квантовые системы на захваченных ионах — это штучный, почти ювелирный продукт (сложный в изготовлении и масштабировании), то золотые нанокластеры предлагают путь к «квантовому LEGO». Их можно синтезировать в колбе в значительных количествах, с заданными параметрами, и затем собирать из них более сложные структуры. Это может удешевить и ускорить создание прототипов квантовых сенсоров (например, для медицинской диагностики) или элементов памяти для квантовых компьютеров. Главная выгода — в потенциальной возможности „вписать“ квантовые технологии в существующие процессы микроэлектроники и нанохимии.

Основное замечание лежит на поверхности: исследование демонстрирует многообещающие свойства in vitro  (в лабораторных условиях), но до интеграции в реальное устройство — дистанция огромного размера. Неясно, как эти кластеры будут вести себя в составе плотной твердотельной матрицы, как на них повлияют тепловые шумы и электромагнитные помехи от соседних элементов. Высокая спиновая поляризация — это лишь один из многих параметров. Критически важным остается вопрос о времени когерентности — как долго кластеры могут сохранять хрупкое квантовое состояние в реальных, а не идеальных условиях. Авторы сами указывают, что это «proof-of-concept», то есть первый шаг, за которым должны последовать годы инженерной работы по преодолению этих вызовов.

Ранее ученые обнаружили одиночный спинон.