量子信息有望超越经典计算技术，成为全新的信息处理途径。磁性分子作为量子信息载体，具有独特的优势：化学精准合成可调控磁性分子的量子行为、获得更大的量子态空间、实现体系的拓展性等。在过去几十年里，化学家们在磁性分子的量子相干性上取得了重大进展，将分子自旋的相干时间从纳秒延长到毫秒级，但仍缺乏对分子中电子自旋的精准操控方法，这就需要使用更加局域化的电场操控分子自旋。但通常电子自旋与电场的耦合较弱。因此，如何实现电场对磁性分子中电子自旋的操控，并提升其操控效率，是当前磁性分子量子信息研究亟需解决的困难。通过研究和增强自旋哈密顿中的自旋-电场耦合作用，并实现电场对电子自旋实现量子相干操控，对于量子信息处理的实用化具有重要价值。
电子自旋的哈密顿量主要包括了塞曼效应与零场分裂效应，增强二者与电场间耦合有助于实现电场对自旋中心的量子相干操控。华南理工大学自旋科技研究院（Spin-X Institute）蒋尚达教授曾报道过塞曼作用的自旋-电场耦合（Natl. Sci. Rev. 2020,7, 1557-1563），其中具有较大旋轨耦合的稀土离子对于提高操纵效率至关重要。
零场分裂源于晶体场效应中配位原子对中心离子的所产生电场，通常远大于施加的外电场。而铁电材料受到电场作用时，配位环境会发生畸变，将导致强烈的自旋-电场耦合效应。利用磁性分子铁电体材料可带来许多优点：可以多种金属离子来整合多种功能；利用分子设计控制几何结构和拓扑结构，进而有目的地调整其性能。
因此，蒋尚达教授课题组此次选择了一类著名的分子铁电体，金属甲酸铵骨架作为自旋-电场耦合的研究对象。如图1a所示，在金属甲酸铵[(CH3)2NH2][Mn(HCOO)3] （dmaMn）和[NH4][Mn(HCOO)3] （aMn）中实现量子相干自旋电场操控。在dmaMn和aMn的粉末样品中，随着脉冲电子顺磁共振（EPR）中电场脉冲长度的增加（图1b），自旋回波信号迅速衰减。其自旋-电场耦合效应强度为dmaMn（ν/E=0.10 Hz·m/V）和aMn（ν/E=0.34 Hz·m/V）。
图1：（a）研究采用的两种金属甲酸铵dmaMn与aMn的结构与其EPR连续波谱图的实验与模拟结果；（b）自旋-电耦合研究使用的EPR脉冲序列与自旋回波强度演化。
图2：（a）单晶连续波EPR转角实验确定Mn2+零场分裂参数。（b）Mn2+能级示意图及量子相位演化示意图。（c）电场作用下自旋回波信号及信号强度、相位角演化实验结果。
相比于粉末样品，晶体中分子具有明确取向，不仅可以准确地测定自旋-电场耦合的各向异性，还能实现有效的量子相位操控。如图2a所示，利用连续波电子顺磁共振（CW-EPR）转角实验测定实验温度（10 K）下aMn晶体中Mn（II）的零场分裂张量。为了清楚分析自旋-电耦合效应，图2b中绘制了具有电场依赖的Mn（II）的能级结构，并由此计算出不同叠加态在电场中的量子相位演化速率。图2c中将外加电场脉冲的脉冲EPR实验应用于aMn，实验观察了单晶样品中自旋-电场耦合的各向异性行为，Mn（II）的五组不同能级自旋量子数间跃迁在电场操控下演化的速率与理论预期一致。
研究发现，在晶体具有最大电场极化效应的铁电轴方向上，自旋-电场耦合反常的消失了，通过建模分析，确定这是由于晶体的压电轴与分子的零场分裂张量轴成魔角所导致的。优化晶体取向，自旋-电场耦合则可以得到显著提升。增强后的自旋-电场耦合效应，比以往有机-无机杂化材料中的相关报道更大，量子相位的操控效率达到0.68 Hz·m/V。
此工作是蒋尚达教授课题组在利用自旋-电场耦合实现量子相干操控的又一重要进展。
重要提示
本文于2022年5月发表于Journal of the American Chemical Society（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19, 8605–8612），如需获取论文原文，请
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