研究團隊通過脈沖電子順磁共振波譜（國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR100與W波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR-W900）和振動光譜表征了兩種含半醌式自由基的分子量子比特框架材料，發現氫鍵網絡導致結構剛性下降，產生亞太赫茲光學聲子，降低德拜溫度，提高聲學聲子態密度，促進自旋晶格弛豫；氫鍵網絡的氘代進一步降低光學聲子頻率、減短自旋晶格弛豫時間。據此提出可通過分子量子比特框架的結構設計來精準調控聲子色散，抑制自旋晶格弛豫，提高量子比特性能。這一成果為分子電子自旋量子比特的固態集成和量子信息應用提供了新思路和新機會。 分子量子比特的結構可設計、性能可調控，并可在室溫下、復雜化學環境中維持自旋相干性，有望催生量子化學傳感、并行量子計算等獨特的量子信息技術。分子量子比特的性能指標包括自旋晶格弛豫時間（T1）和自旋退相干時間（Tm），其中T1是Tm的上限。自旋晶格弛豫（以下簡稱自旋弛豫）由自旋聲子耦合和聲子色散決定，目前自旋聲子耦合的理論發展尚不優化，難以通過理論計算準確預測，同時分子量子比特的載體一般為溶液或無序的固態材料，不具備明確的聲子色散。這為研究分子量子比特的自旋弛豫機制、闡明其構效關系提出了挑戰。 分子量子比特框架材料（Molecular qubit frameworks, MQFs）包括金屬有機框架材料、共價有機框架材料和離子對框架材料等，其中含有自由基、過渡金屬離子、鑭系金屬離子等具備電子自旋相干性的結構基元。MQFs的自下向上的構筑方式和高度空間有序的晶格結構賦予其明確的聲子色散關系，因此可以通過網狀化學定制設計來抑制自旋晶格弛豫。基于此，西湖大學理學院孫磊團隊以2,3,6,7,10,11―六羥基苯并菲（HHTP）為有機配體、抗磁性離子（Mg2+和Ti4+）為金屬節點，合成了兩種MQFs——MgHOTP和TiHOTP。去質子化的配體HOTP在空氣中自發氧化形成半醌式自由基，其中電子自旋主要分布于氧原子上。MgHOTP具有層狀結構，Mg2+的配位水與HOTP中氧原子之間形成氫鍵，在層間方向連接成為長程氫鍵網絡；TiHOTP具有三維結構，Ti4+不與水分子配位，孔道中二甲基胺陽離子與HOTP之間可形成氫鍵，但不構成氫鍵網絡。 作者利用X波段脈沖電子順磁共振波譜儀（脈沖EPR）測試了MQFs的T1和Tm。TiHOTP在室溫下表現出優異的量子比特性能，其T1為41 μs，Tm為0.46 μs。在10–295 K溫度范圍內，TiHOTP的自旋動力學性質顯著優于MgHOTP，其T1長于后者1–2個數量級，Tm較之后者長0.2–0.4 μs。在200 K以上，自旋退相干由電子自旋翻轉導致的光譜擴散主導，其速率與T1正相關，因此Tm受限于T1。W波段脈沖EPR測試表明增加磁場使得低溫區（~70 K以下）的自旋弛豫加快，但不影響高溫區的T1。由于這兩種MQFs中自由基相同，因此其自旋弛豫性質的區別應來源于晶體結構的差異。 X波段脈沖式電子順磁共振波譜儀可同時兼具連續波EPR及脈沖EPR功能，在滿足常規連續波EPR實驗的同時，還可進行T1、T2、ESEEM（電子-自旋回波包絡調制）、HYSCORE（超精細亞能級相關）等脈沖EPR相關測試，可實現更高的譜圖分辨率，揭示電子與核之間的超精細相互作用，從而為用戶提供更多的物質結構信息。可實現超低（高）溫下順磁性物質的探測。 W波段（94 GHz）高頻EPR波譜儀，同時兼容連續波和脈沖EPR測試功能，搭配裂隙式超導磁體，較高磁場可達6 T，可進行4-300 K的變溫實驗。EPR-W900具有和X波段波譜儀EPR100相同的軟件操作平臺，為用戶提供簡單便捷的使用體驗。 結合上述脈沖EPR和振動光譜測試結果，作者建立了一套分析自旋弛豫機制的新方法。該方法通過對比不同磁場下的自旋弛豫現象，確定磁場依賴的直接過程和磁場無關的雙聲子過程的溫度范圍；根據晶體結構和振動光譜，判斷主導局域模過程的光學聲子，同時得到德拜溫度的上限。基于這些信息，綜合直接過程、拉曼過程和局域模過程對變溫T1的實驗結果進行擬合，確定各個自旋弛豫機制的貢獻。分析結果表明，兩種MQFs中均存在直接過程和由C?O伸縮振動主導的局域模過程。由于德拜溫度較低、聲學聲子態密度較高，MgHOTP的直接過程比TiHOTP快22倍；其局域模過程快2個數量級，推測可能與C?O鍵相鄰的氫鍵有關。此外，MgHOTP中存在由24 cm?1光學聲子驅動的局域模過程（亦可視作由較低的德拜溫度所導致的拉曼過程高溫行為），TiHOTP中則存在由聲學聲子主導的拉曼過程（擬合發現其德拜溫度為302 K），在40 K以上前者快于后者1?2個數量級。這三個自旋弛豫過程主導的溫度范圍不同，但在MgHOTP中均表現出較高的速率，使其自旋弛豫顯著快于TiHOTP。 為了驗證MgHOTP中低頻光學聲子的來源，作者對其進行了同位素標記，制備了氘代產物——MgHOTP-D2O。該材料的低溫磁場拉曼光譜在15、89和169 cm?1處呈現3個尖峰，相比于MgHOTP，前列個和第三個光學聲子分別紅移了9和6 cm?1，從而將德拜溫度的上限降低至22 K，進一步增加了聲學聲子態密度。此外，MgHOTP- D2O的拉曼光譜在約120 cm?1和132 cm?1處出現了兩個新的寬峰。作者將上述發生紅移和新出現的光學聲子歸屬于MgHOTP中的氫鍵網絡，并發現其氘代進一步加速了自旋弛豫：直接過程速率提升10倍，由較低頻光學聲子驅動的局域模過程加快一個數量級，兩者共同導致低溫下的T1減短。相比之下，由C?O伸縮振動引起的局部模過程在氘代后變得可以忽略不計，使得MgHOTP-D2O在233 K以上保持比MgHOTP更長的T1。因此，氫鍵可能通過影響C?O伸縮振動來調節自旋弛豫，去除氫鍵則可能有助于提升半醌式自由基的T1。 綜上所述，該研究揭示了通過提高分子量子比特框架的結構剛性，可以調控其聲子色散，抑制自旋弛豫，進而提升量子相干性和適用溫度。該研究成果有望推動分子量子比特的固態集成和分子量子信息科技的發展。 西湖大學物理系特聘研究員劉仕、中國科學院物理研究所金峰研究員、中國科學院半導體研究所張俊研究員和國儀量子石致富、趙新星工程師等合作者參與了上述研究。本項目得到了國家自然科學基金面上項目、杭州市型創新團隊項目和中國科學院科研儀器設備研制項目的經費資助；項目實施過程中得到了西湖大學分子科學公共實驗平臺、西湖大學物質科學公共實驗平臺、西湖大學高性能計算中心和中國科學院綜合條件實驗裝置的大力支持。