Parity-dependent coupling of molecular spin chains to a superconductor
本研究表明，生长在超导表面上的自旋-1 三角烯单元分子 Haldane 链表现出对超导凝聚体的宇称依赖型耦合，其中具有净自旋-1 基态的奇数长度链会形成 Yu-Shiba-Rusinov 束缚态，而具有自旋-0 基态的偶数长度链则保持去耦合状态，从而建立了一种可调控的分子自旋量子比特机制。
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在量子物理学的微观世界中，粒子有时表现得仿佛是更大、更整体的一部分，而非独立的个体。当这种情况发生在某些材料中时，宇宙的基本规则似乎会发生改变，允许粒子分裂成更小的、仅携带其通常属性一小部分的碎片。这种被称为“分数量子化”（fractionalization）的现象，是强相互作用导致粒子产生新颖、意想不到行为的奇异物质态的一个标志。其中最迷人的例子之一出现在一维磁性原子链中。在这些链中，原子的磁自旋以特定的模式排列，从而保护了链的两端，使其拥有一种在链中间并不存在的独特的分数磁特性。科学家们长期以来一直想知道，如果将这些脆弱的分数边缘态与超导体（一种能够无电阻导电并排出磁场的材料）接触，会发生什么。问题在于，超导体是会破坏这些脆弱的量子态，还是它们可以共存，并可能成为新型量子计算机的基础。
一支研究团队现在通过回答这个问题，他们在特殊的表面上构建了微小的分子链，并观察它们如何与超导体相互作用。他们制造的链由被称为“三角烯”（triangulene）的三角形碳分子组成，这些分子就像一串磁珠。当这些链较短时，链两端的磁性会相互作用。如果链由奇数个此类三角形单元组成，两端表现为一个具有净自旋的单一磁性物体。如果链由偶数个单元组成，两端则会相互抵消，形成非磁性状态。研究人员将这些链放置在位于铌（一种超导金属）之上的薄金膜上。这种设置使得金膜本身也具备了超导特性，创造了一个“近邻效应”（proximitized）环境，使超导特性渗透进金层中，而不会破坏碳链脆弱的化学结构。
利用一种可以测量原子尺度电流的高灵敏度显微镜，该团队观察到了取决于链长度的显著差异。当他们观察由奇数个三角形单元组成的链时，发现明显的迹象表明磁性末端正在与超导体进行“对话”。显微镜在超导能隙（即电流通常无法流动的能量范围）内检测到了特定的能量峰。这些被称为“Yu-Shiba-Rusinov 态”的峰值是磁矩直接位于超导体上并产生局部扰动的特征信号。这证实了奇数长度链末端的分数自旋仍然活跃，并与超导电子耦合。
相比之下，由偶数个单元组成的链则讲述了不同的故事。由于这些链的两端相互抵消形成了非磁性状态，它们并没有在超导能隙内产生任何特殊的能量峰。超导体并未受到链的影响，实际上忽略了它。然而，研究人员在超导能隙之外观察到了相互作用的迹象，在那里，翻转链磁状态所需的能量是可见的。这证明了两端仍在相互作用，但它们结合后的非磁性本质使其与超导体本身保持了解耦。
研究人员还发现，链两端之间相互作用的强度随着链长的增加而改变。在较短的链中，两端距离足够近，能够强烈地感受到彼此，从而决定了链是表现为磁性还是非磁性物体。随着链变长，这种相互作用减弱，两端开始表现得更像独立的粒子。团队使用理论模型来解释这种行为，表明链的交替磁状态是关键因素。他们发现，链的磁基态（无论是单一磁性单元还是抵消后的成对状态）决定了它将如何与超导体耦合。
这项工作证明，这些分数自旋态的拓扑保护足以在超导环境中生存。通过仅仅通过增加或减少一个单元就能切换链的磁行为，并能通过其与超导体的相互作用来读取这种状态，这为在分子尺度上控制量子信息提供了一种新方法。该研究表明，基于碳的分子架构可以作为混合量子器件的构建模块，让拓扑态的稳定性与超导性的力量相结合。通过证明这些奇异量子态可以在超导表面被工程化和控制，研究人员为创造更稳定、更复杂的未来技术量子系统开辟了一条路径。
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