研究背景：在纳米尺度的自旋电子器件设计中，由于其尺寸原因，磁性逻辑元件的数量受限，从而导致目前的自旋电子器件仅仅可以实现较为简单的自旋逻辑功能，包括自旋翻转、自旋转移、退磁等。另一方面，基于自旋逻辑功能设计相应的逻辑门是推动自旋电子器件迈向自旋逻辑运算的重要一步。因此，构建多磁性中心结构、实现磁性中心之间的自旋逻辑功能，基于此设计高效的自旋逻辑门具有重要的研究价值以及潜在的应用前景。

图文内容：

近日，bet356亚洲版体育官网李春教授团队在基于石墨烯纳米片层超快自旋动力学行为的量子逻辑门设计研究中取得新进展。作者利用超快自旋动力学Λ进程，研究了π共轭掺杂的菱形石墨烯纳米片层中超快可逆的自旋翻转和自旋转移，基于此设计出了OR、AND、NAND等经典逻辑门以及CNOT、SWAP等双量子比特的量子逻辑门。相关研究成果以“Two-qubit logic gates based on the ultrafast spin transfer in π-conjugated graphene nanoflakes”为题在Carbon期刊在线发表。

在这项工作中，作者以菱形石墨烯纳米片层（GNFs）为基础，通过π共轭掺杂方式引入四个Co原子，构建了多磁性中心的Co₄-GNF结构。该结构的主要优点在于：石墨烯纳米片层独特的六元碳环结构可以为外加的磁性原子提供掺杂位点，使得磁性原子可以在六元碳环的中心上方稳定存在。这种掺杂方式具有可扩展性，随着GNFs结构的扩展，可以引入更多磁性中心，为后续大体系、多磁性中心的自旋量子逻辑功能器件的设计提供可能性。

通过结构优化以及自旋密度分析，作者选取图1中的结构作为研究对象。在该结构中，位于结构GNF下方的Co4原子有效地破坏了结构的对称性，在结构中构建多样化的自旋密度分布的同时，呈现了最高的结构稳定性。同时，从图1（c）中可以看出，随着能级的升高，体系的自旋密度呈现明显不同的局域化位置，多样化的自旋密度分布为实现各种自旋动力学行为提供了可能。

在此基础上，作者应用Λ进程理论模型，实现了Co1、Co2&3、Co4上的超快可逆自旋翻转进程，以及在Co1、Co2&3、Co4之间的超快可逆自旋转移进程。其中，Co1→Co4之间实现的自旋转移进程在400 fs内实现了跨越1.906 nm的超快自旋信息传输。随着实验技术以及计算能力的双向提高，在类似结构上进行自旋动力学行为的实验研究成为可能。有趣的是，相较于Co1→Co4、Co2&3→Co4之间发生的自旋转移进程，Co1→Co2&3的自旋转移进程耗时明显更长。这是由于Co1、Co2、Co3位于GNF的同一侧，而Co4则位于另一侧，即当磁性中心位于GNF的异侧时，Co₄-GNF结构呈现出更好的自旋动力学特性。换句话说，Co₄-GNF结构中的自旋信息转移不是“弹道式（ballistic）”的，而是以一种类似“连通器（communicating vessels）”的方式进行，即自旋密度从一个Co原子上消失之后，立即出现在另一个Co原子上。

基于前文实现的自旋动力学进程，作者分别将自旋局域化位置与自旋方向作为两个变量，以其中两个Co原子为输入节点，另外两个为输出节点，实现了亚皮秒时间尺度内的多种双量子比特逻辑门设计，且保真度维持在96%以上（如表1所示）。值得注意的是，此前关于双量子比特操控的自旋逻辑门时间尺度最高达到纳秒时间尺度，本文研究结果将双量子比特的量子逻辑门时间尺度降低了3个数量级，且保证了信息的高保真度传输。

本文研究首次实现了基于超快自旋动力学Λ进程的量子逻辑门设计，为基于石墨烯纳米片层构建集成自旋逻辑器件提供了一种新的可行方法。基于激光诱导的自旋动力学行为设计量子逻辑门与当前芯片集成的激光器件相结合，为未来纳尺度自旋电子器件的进一步加速和小型化提供了新的研究方法和设计思路。

论文第一作者为bet356亚洲版体育官网博士研究生张一鸣，通讯作者为李春教授，合作者包括德国凯泽斯劳滕工业大学Hübner教授研究组和陕西师范大学金蔚副教授。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金以及广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。

原文链接：

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

（文：张一鸣、李春，审核：温世峰）