量子晶体或将点燃下一场科技革命

电子几乎是所有化学和技术过程的核心。它们驱动能量转移、成键和导电性，是化学合成和现代电子技术的基础。在化学反应中，电子促成氧化还原过程、键的形成和催化活性；在技术领域，对电子运动和相互作用的调控是电子电路、人工智能系统、太阳能电池乃至量子计算机等一切技术的基础。通常，电子被限制在原子内，这限制了它们的潜在用途。然而，在一种被称为“电子化合物”的材料中，电子可以独立移动，为全新的应用能力打开了大门。

“通过学习如何控制这些自由电子，我们可以设计出自然界中从未有过的材料功能，”奥本大学化学副教授、该研究的资深作者 Evangelos Miliordos 博士解释道。该研究基于先进的计算建模。

为实现这一目标，奥本大学团队创造了一种名为“表面固定化电子化合物”的创新材料结构。他们将溶剂化电子前体附着在金刚石、碳化硅等稳定表面上，这种配置使电子化合物的电子特性既稳定又可调控。通过改变分子的排列方式，电子既可以聚集成孤立的“岛屿”——其行为类似用于先进计算的量子比特，也可以扩散成延伸的“海洋”——从而促进复杂的化学反应。

这种多功能性正是该发现具有变革潜力的原因。一种形式可能会推动强大的量子计算机的发展，这类计算机能够解决当今技术无法处理的问题；另一种形式则可能为尖端催化剂奠定基础，加速关键化学反应，有望彻底改变燃料、药物和工业材料的生产方式。

“随着社会不断突破现有技术的极限，对新型材料的需求正在激增，”奥本大学物理学副教授 Marcelo Kuroda 博士表示，“我们的研究展示了一条开发新材料的新路径，这些材料不仅为物质相互作用的基础研究提供了机会，也具有实际应用价值。”

早期的电子化合物不稳定且难以规模化生产。通过将其直接沉积在固体表面，奥本大学团队克服了这些障碍，提出了一系列材料结构，有望从理论模型走向实际设备。“这是基础科学，但具有非常现实的意义，”奥本大学材料工程助理教授 Konstantin Klyukin 博士说，“我们谈论的是可能改变我们计算方式和制造方式的技术。”

这项理论研究由奥本大学化学、物理学和材料工程系的教师共同领导。“这仅仅是个开始，”Miliordos 补充道，“通过学习如何驯服自由电子，我们可以畅想一个拥有更快计算机、更智能机器以及我们尚未梦想过的新技术的未来。”

这项名为《具有可调电子离域性的电子化合物在量子计算和催化中的应用》的研究，由研究生 Andrei Evdokimov 和 Valentina Nesterova 共同撰写，并得到了美国国家科学基金会和奥本大学计算资源的支持。