潮新闻讯  基础材料被赋予非凡特性，将碰撞出怎样的火花？

近日，西湖大学孙磊团队在《美国化学会志》上发表的最新研究成果，让“老材料”焕发新活力。两种经典材料——COF-5与COF-108，成为了室温下电子自旋量子比特的理想载体。

这一突破直接指向了一个重要应用方向——量子传感。在未来，基于COF材料的量子传感器将有望打破多重限制，可以在室温、较弱磁场下工作。比如，现在使用的大型核磁共振仪器可以被手掌大小的小型设备替代，更为轻便、更加灵敏。

这一突破，有望为生物分子识别、环境监测、医学诊断、工业质量控制等多个领域带来新变化。

（a）COF-5和 COF-108结构及合成路线。（b）COF-5和 COF-108在室温下的自旋弛豫时间与代表性分子电子自旋量子比特以及无机固体中顺磁缺陷的比较。（星号代表COF材料）

据了解，孙磊在麻省理工学院攻读博士期间，就对利用分子体系探索量子现象充满兴趣。2021年他加入西湖大学，组建分子量子器件和量子信息实验室，实验室的研究方向就是利用化学工具去解决物理问题，利用物理原理对分子设计提供指导，这场对COF材料的量子探索，正是他对多年好奇心的回应。

研究团队聚焦两种最具代表性的经典材料——二维的COF-5与三维的COF-108，通过自发氧化，在这两种材料的骨架中植入了半醌式自由基。这种自由基就像一颗敏感的“量子心脏”，它的“跳动节奏”（即电子自旋状态）对周围环境极为敏感，而电子自旋，正是构建量子比特的核心基础。

孙磊研究团队发现，在室温条件下，COF-5和COF-108的自旋弛豫时间（即量子态的寿命）竟然超过了300微秒。这个性能指标不仅远超大多数有机小分子体系，甚至逼近了金刚石中氮空位色心的表现——后者被认为是固态量子体系的黄金标准。这意味着，COF材料可以成为室温电子自旋量子比特的理想载体。

此外，他们采用动力学解耦技术，通过施加精巧设计的微波脉冲序列，有效压制了环境噪声对量子态的干扰，将室温自旋退相干时间提升至超过5微秒。

这种技术就像为量子系统戴上了一副高效的降噪耳机，在抑制环境噪声的同时放大音乐的音量，使其能够"听"见微弱的信号。利用这种技术，他们在室温下清晰检测到了来自COF材料内氢、硼、碳原子核自旋的信号，实现了对这些元素的精准鉴定。

从最初的结构奇迹，到吸附、催化、储能等功能应用，再到如今成为量子信息科技的重要候选者，COF材料“老树发新芽”，恰是科学研究的生动隐喻：科学研究没有真正的终点，每一个看似的“终点”，或许都是下一段故事的“起点”。