在傳統化學觀念中,自旋配對現象通常發生在化學鍵的兩個電子之間,其中化學鍵的形成能夠抵消電子間靜電排斥所帶來的能量損失。然而,科學家長期以來一直好奇:在同個分子結構中,兩個沒有形成化學鍵的電子是否也能發生自旋配對?也就是「空間隔離自旋間的糾纏現象」(spin entanglement)到底存不存在?這一直是量子科學家們在思考的問題。1972年,Erich Clar提出了一個理論叫「Clar's goblet分子」(1:14, 3:4, 7:8, 10:11-tetrabenzoperopyrene),該分子可以用來研究spin entanglement的存在與否。根據Lieb定理和Ovchinnikov法則,分子中的所有π電子都應該成對。然而弔詭的是,無論如何畫Clar's goblet分子的共振結構,它總是會存在兩個未配對電子。在其共振結構中,這兩個電子僅能分佈在分子的兩邊,彼此無法接觸,這就是為什麼該分子適合用來研究spin entanglement的存在與否。然而,在實驗室中,合成該分子的難度極高,一直無法在溶液中成功合成,這使得量子科學家無法確認spin entanglement存不存在。
近日,新加坡國立大學和中國華南理工大學的研究團隊,成功在溶液相中合成了Clar's goblet衍生物(cg-1和cg-2),並確認spin entanglement確實存在。為了提高Clar's goblet分子的穩定性,研究團隊在分子周邊引入了體積較大的芳基取代基,使產物cg-2具有更長的半衰期(約6天),便於後續的分離和表徵。後續的研究發現,cg-2中的兩個自旋雖然在空間上分離(平均距離約8.7埃),但它們在基態時呈現反鐵磁耦合(antiferromagnetically coupled),具有-0.29 kcal/mol的單重態-三重態能隙(ΔES-T)。這表明這兩個空間分離的自旋能夠感知彼此的存在,並傾向於保持相反的自旋方向(自旋配對)。