高自旋给体-受体共轭聚合物的固态量子相干性研究及其在量子技术中的应用

这篇综述展示了首个基于给体-受体（DA）共轭聚合物（CP）的有机高自旋量子比特（qubit），该材料在室温下展现出优异的量子相干性（Tm）和自旋弛豫时间（T1），其性能超越现有分子量子比特体系。通过精确调控π共轭骨架的电子结构和拓扑构型，研究者实现了固态环境中自旋态的高保真操控，为开发可溶液加工、化学可调的量子材料平台提供了新范式。

　　

1 引言

量子技术发展亟需兼具化学可调性和器件集成性的新型材料体系。传统固态缺陷系统（如金刚石氮空位中心NV^-和硅基掺杂体系）虽性能优异，但其功能扩展性受限。有机高自旋材料因轻元素组成（C/H/N/O/S）带来的弱自旋-轨道耦合和类缺陷电子结构成为理想候选，但稳定性问题长期制约其发展。本研究通过给体-受体（DA）共轭聚合物设计，首次实现了具有室温量子相干性的有机高自旋量子比特。

2 设计与合成

研究者设计合成聚[4-(4,4-二甲基-4H-硅并[3,2-b:4,5-b']二噻吩)-交替-6,7-双(5-十六烷基噻吩-2-基)-[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉]聚合物，其关键特征包括：硅桥头给体单元稳定最高占据分子轨道（HOMO），强受体单元降低最低未占轨道（LUMO），C₁₆H₃₃侧链调控溶解性和骨架构象。微波辅助Stille偶联聚合得到分子量36.8 kg mol^-1的聚合物，密度泛函理论（DFT）计算显示n=8时交换能ΔE_ST=0.05 eV，自旋密度沿π骨架高度离域。独特的硅桥头结构引起7.95°骨架扭转，抑制π-π堆积的同时保持电子相干性。

3 固态性质

旋涂薄膜在1.25 μm处出现吸收边，电化学测试显示-5.38/-4.47 eV的氧化还原电位。场效应晶体管测得空穴迁移率2.07×10^-4 cm² V^-1 s^-1。超导量子干涉仪（SQUID）证实S=0.96的高自旋基态，居里-外斯拟合显示θ=-0.56 K的弱反铁磁相互作用。室温连续波电子顺磁共振（CW-EPR）给出g=2.0047的Voigt线型，线宽6 G（1.9 G均匀/5.6 G非均匀加宽）。变温EPR测得ΔE_ST=1.73×10^-2 kcal mol^-1，交换耦合常数J=3.02 cm^-1。

4 自旋动力学

脉冲EPR测试显示：298K时T₁=44.3 μs，T_m=0.30 μs；5.5K时T₁延长至44.3 ms，T_m=1.58 μs。三脉冲（3P）电子自旋回波包络调制（ESEEM）揭示0-4 MHz（¹⁴N）和≈15 MHz（¹H）的超精细耦合。碳桥头类似物对比实验证实硅原子的关键作用——其引入使T_m提升4倍，T₁提高3个数量级。85K下拉比振荡实验观察到14.6 MHz（¹H）和¹⁴N核四极矩对应的纠缠态，证实自旋量子态的可控操作。

5 结论

该工作建立了DA共轭聚合物作为固态量子比特平台的新范式，其特色在于：通过分子设计同时优化自旋相干时间（T_m）与弛豫时间（T₁）；溶液加工性实现器件集成；结构可调性支持多量子比特操作。这种将有机半导体特性与量子相干性相结合的策略，为开发兼具光电功能与量子效应的新型器件奠定了基础。