内嵌富勒烯由于其独特的碳笼结构，能够有效屏蔽外界环境中的退相干因素，展现出在构建自旋量子比特方面的潜力。其中具有s轨道特性的金属-金属键的双金属内嵌富勒烯，其电子自旋表现出较长的相干时间以及较高的操作温度。然而内嵌富勒烯自旋量子比特仍面临诸多挑战，例如，在量子比特读出或进行规模化器件组装时，复杂的电学环境可能诱导电荷转移，从而改变电子自旋状态。因此，开发具备对电荷态不敏感的自旋体系，对于提升内嵌富勒烯基自旋量子比特的环境鲁棒性具有重要意义。

    近日，由南京大学宋凤麒教授、张敏昊副教授、华中科技大学卢兴教授、西安交通大学杨涛研究员组成的联合研究团队合作，在Nano Letters上发表了关于Lu2@C82晶体管中近藤效应奇偶性行为缺失的研究成果。研究团队制备并纯化了内嵌双金属原子的富勒烯Lu2@C82，并采用负反馈控制电迁移断裂结（FCEBJ）技术制备出单团簇晶体管（SCTs）。Lu2@C82的双金属原子之间通过形成稳定的两电子Lu–Lu键，使分子结构在热力学上更稳定，同时Lu2结构与碳笼之间也存在共价键连接。当Lu2@C82经氧化失去一个电子后，Lu–Lu键从双电子共价键转变为单电子共价键。由于Lu–Lu键主要由s轨道构成，其电子自旋相干时间能够借助时钟跃迁机制进一步提高，这使得Lu2@C82成为长自旋相干时间量子比特的理想候选材料。

研究团队通过对Lu2@C82 SCTs的微分电导谱测量，发现了在连续三个电荷态中均存在零偏压电导峰（ZBPs）。进一步通过变温和变磁场测量，并结合近藤效应温度依赖关系公式拟合，证实了这些ZBPs均源于近藤效应。然而，通常情况下近藤效应引起的ZBPs具有奇偶特性，即仅在奇数电子填充的电荷态中出现，这一特征源自近藤效应对局域净自旋的要求。

    为了揭示Lu2@C82中近藤效应非奇偶性的来源，研究团队利用密度泛函理论（DFT）计算了Lu2@C82在多个电荷态下的轨道能级和自旋密度分布。计算结果表明，内嵌结构Lu2与碳笼的轨道在费米面附近具有较强的独立性。在Lu2@C82中性态中，Lu₂轨道为最高占据分子轨道，并由一对电子填充。当Lu2@C82失去一个电子变为阳离子态[Lu2@C82]+时，Lu2轨道失去一个电子形成单电子Lu–Lu键，且轨道能级显著降低，移动到HOMO-7的位置。在继续失去更多电子后，Lu2轨道仍然稳定地处于HOMO-7或HOMO-6附近的能级。从自旋密度分布来看，连续多个阳离子态中Lu–Lu键上均表现出局域化的自旋。

    基于上述DFT计算结果以及Lu2@C82独特的电子结构，我们提出了具体的输运机制以解释Lu2@C82 SCTs中的非奇偶性近藤效应。器件测量中观测到的电荷态均为Lu2@C82的阳离子态，此时Lu–Lu键上存在稳定的未配对电子。导电电子与Lu–Lu键上局域的1/2电子自旋相互作用，产生近藤效应，进而表现为ZBPs。当团簇的电荷态发生变化时，增减的电子来源于碳笼轨道。由于Lu2轨道与碳笼轨道之间的独立性，Lu2轨道始终保持局域化的1/2自旋态，因此阳离子态下Lu–Lu键上的局域自旋持续与导电电子发生近藤效应，使ZBPs在连续多个电荷态中稳定存在。

    本研究合成并纯化分离得到了Lu2@C82，并采用FCEBJ技术制备了Lu2@C82 SCTs。通过对SCTs的低温电输运测量，观测到了不依赖于体系电子数奇偶性的近藤ZBPs。结合DFT计算结果以及Lu2@C82的特殊电子结构，提出这种奇偶性无关的近藤效应来源于Lu2@C82阳离子态中稳定存在的未配对电子。此外，计算进一步揭示，无论Lu2@C82处于中性态或阳离子态，其内部Lu–Lu键均主要由s轨道贡献形成。这种独特的电子结构特性赋予Lu2@C82更长的自旋相干时间以及更高的环境稳定性，使其成为制备鲁棒的电子自旋量子比特的理想候选体系。

    相关论文发表在Nano Letters上，南京大学博士研究生陈俊、课题组博士研究生水源和合肥工业大学副研究员沈王强为文章的第一作者，南京大学宋凤麒教授、张敏昊副教授，华中科技大学卢兴教授和课题组杨涛研究员为通讯作者。该项研究工作得到了科技部、国家自然基金委、江苏省科技厅等的联合资助，同时也得到了各位老师和同学的支持。

    值得说明的是，上述研究成果是联合研究团队继2024年在《Nature Communications》合作工作之后的又一研究成果。

    论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00365