新加坡国立大学研究团队及其国际合作者近日提出一种面向分子量子材料的预测性设计策略，用于构建具有多自旋相互作用且具备更强抗磁扰动能力的类石墨烯纳米分子，为分子尺度量子信息技术与下一代自旋电子学提供了新的材料路径。

研究团队围绕纳米石墨烯分子体系展开探索，重点聚焦由稠合苯环构成的碳基磁性结构。这类分子因可容纳未配对电子自旋而被认为具有信息存储与量子调控潜力。与传统依赖金属中心的磁性材料不同，碳基体系在化学可设计性和自旋相干时间方面具备潜在优势，但如何在单一分子内稳定引入多个强耦合自旋，一直是该领域的关键难题。

在本项研究中，团队以“克拉尔杯状分子”为结构基础，通过原子级精确的表面化学合成方法，构建出两种扩展纳米石墨烯分子C₆₂H₂₂与C₇₆H₂₆，并利用扫描探针显微技术对其结构与电子性质进行了精细表征。

研究显示，通过对分子结构进行横向与纵向扩展，研究人员能够在原子尺度上调控电子-电子相互作用强度以及零能模式数量，从而实现对分子自旋行为的可设计调节。这一策略使得同一设计框架下的不同分子，可以呈现出不同的自旋生成机制。

实验结果表明，两种分子均包含四个未配对自旋，但其形成机制并不相同：一种分子的自旋完全由碳骨架几何结构驱动，另一种则由几何效应与电子相互作用增强共同作用产生。这种差异使得体系在磁响应行为上呈现出可调控特征。

相关研究成果已于2026年4月21日发表在《Nature Synthesis》。

在磁稳定性测试中，研究团队通过扫描探针显微镜与磁传感器对两种四自由基分子进行了测量。结果显示，尽管两种分子均具有四个强关联自旋，但其在外部磁扰动下表现出显著差异，其中一种结构展现出更高的磁稳定性，使其量子态在测量过程中更不易发生退相干。

这一特性对于分子量子比特应用具有直接意义，因为量子信息系统对自旋态稳定性与相干时间具有高度依赖。

研究团队指出，该类纳米石墨烯体系的关键价值在于提供了一种可预测设计多自旋耦合结构的方法，使得分子磁性不再完全依赖经验性合成路径，而是可以通过结构设计实现定向调控。

相关研究通过实验与理论结合，建立了沙漏形纳米石墨烯的结构—性质关系，为碳基分子体系的磁性调控提供了更直接的设计手段，并为分子量子比特及量子模拟器的发展提供了材料基础。

从技术发展角度看，该研究进一步强化了碳基分子体系在量子信息与自旋电子学领域的潜在应用路径，但其仍处于基础研究阶段，距离器件化与工程化应用仍存在较长距离。研究团队下一步计划在单分子尺度进一步探测自旋动力学与相干时间，并探索对纠缠自旋体系的相干控制机制。

来源：Carbontech