研究背景：在納米尺度的自旋電子器件設計中，由于其尺寸原因，磁性邏輯元件的數量受限，從而導緻目前的自旋電子器件僅僅可以實現較為簡單的自旋邏輯功能，包括自旋翻轉、自旋轉移、退磁等。另一方面，基于自旋邏輯功能設計相應的邏輯門是推動自旋電子器件邁向自旋邏輯運算的重要一步。因此，構建多磁性中心結構、實現磁性中心之間的自旋邏輯功能，基于此設計高效的自旋邏輯門具有重要的研究價值以及潛在的應用前景。

圖文内容：

近日，yh533388银河app李春教授團隊在基于石墨烯納米片層超快自旋動力學行為的量子邏輯門設計研究中取得新進展。作者利用超快自旋動力學Λ進程，研究了π共轭摻雜的菱形石墨烯納米片層中超快可逆的自旋翻轉和自旋轉移，基于此設計出了OR、AND、NAND等經典邏輯門以及CNOT、SWAP等雙量子比特的量子邏輯門。相關研究成果以“Two-qubit logic gates based on the ultrafast spin transfer in π-conjugated graphene nanoflakes”為題在Carbon期刊在線發表。

在這項工作中，作者以菱形石墨烯納米片層（GNFs）為基礎，通過π共轭摻雜方式引入四個Co原子，構建了多磁性中心的Co₄-GNF結構。該結構的主要優點在于：石墨烯納米片層獨特的六元碳環結構可以為外加的磁性原子提供摻雜位點，使得磁性原子可以在六元碳環的中心上方穩定存在。這種摻雜方式具有可擴展性，随着GNFs結構的擴展，可以引入更多磁性中心，為後續大體系、多磁性中心的自旋量子邏輯功能器件的設計提供可能性。

通過結構優化以及自旋密度分析，作者選取圖1中的結構作為研究對象。在該結構中，位于結構GNF下方的Co4原子有效地破壞了結構的對稱性，在結構中構建多樣化的自旋密度分布的同時，呈現了最高的結構穩定性。同時，從圖1（c）中可以看出，随着能級的升高，體系的自旋密度呈現明顯不同的局域化位置，多樣化的自旋密度分布為實現各種自旋動力學行為提供了可能。

在此基礎上，作者應用Λ進程理論模型，實現了Co1、Co2&3、Co4上的超快可逆自旋翻轉進程，以及在Co1、Co2&3、Co4之間的超快可逆自旋轉移進程。其中，Co1→Co4之間實現的自旋轉移進程在400 fs内實現了跨越1.906 nm的超快自旋信息傳輸。随着實驗技術以及計算能力的雙向提高，在類似結構上進行自旋動力學行為的實驗研究成為可能。有趣的是，相較于Co1→Co4、Co2&3→Co4之間發生的自旋轉移進程，Co1→Co2&3的自旋轉移進程耗時明顯更長。這是由于Co1、Co2、Co3位于GNF的同一側，而Co4則位于另一側，即當磁性中心位于GNF的異側時，Co₄-GNF結構呈現出更好的自旋動力學特性。換句話說，Co₄-GNF結構中的自旋信息轉移不是“彈道式（ballistic）”的，而是以一種類似“連通器（communicating vessels）”的方式進行，即自旋密度從一個Co原子上消失之後，立即出現在另一個Co原子上。

基于前文實現的自旋動力學進程，作者分别将自旋局域化位置與自旋方向作為兩個變量，以其中兩個Co原子為輸入節點，另外兩個為輸出節點，實現了亞皮秒時間尺度内的多種雙量子比特邏輯門設計，且保真度維持在96%以上（如表1所示）。值得注意的是，此前關于雙量子比特操控的自旋邏輯門時間尺度最高達到納秒時間尺度，本文研究結果将雙量子比特的量子邏輯門時間尺度降低了3個數量級，且保證了信息的高保真度傳輸。

本文研究首次實現了基于超快自旋動力學Λ進程的量子邏輯門設計，為基于石墨烯納米片層構建集成自旋邏輯器件提供了一種新的可行方法。基于激光誘導的自旋動力學行為設計量子邏輯門與當前芯片集成的激光器件相結合，為未來納尺度自旋電子器件的進一步加速和小型化提供了新的研究方法和設計思路。

論文第一作者為yh533388银河app下载博士研究生張一鳴，通訊作者為李春教授，合作者包括德國凱澤斯勞滕工業大學Hübner教授研究組和陝西師範大學金蔚副教授。該研究得到了國家自然科學基金、陝西省傑出青年科學基金以及廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的支持。

原文鍊接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.03.012

（文：張一鳴、李春，審核：溫世峰）