金属-金属键是一类重要的化学键，其研究对化学键性质的理解具有重要意义。目前，金属-金属键的研究主要集中在主族和过渡金属上。相比之下，碱土金属（Ae），尤其是较重的碱土金属（即Ca、Sr、Ba），由于其高电正性（electropositivity），很难形成金属-金属键。因此，目前只有少数几例基于碱土金属的金属-金属键被报道过。

 近日，苏州大学谌宁教授、西湖大学孙磊教授和西班牙罗维拉-威尔吉利大学Antonio Rodríguez Fortea教授合作，成功合成了两个基于碱土金属Ca和稀土金属Y的新型内嵌异核双金属富勒烯CaY@Cs(6)-C82和CaY@C2v(5)-C80，并对其分子电子结构以及分子自旋动力学进行了研究。该研究表明内嵌的Ca和Y之间形成了罕见的碱土金属-稀土金属单电子金属-金属键。此外，该键中的电子自旋在相对较高的温度下展现出良好的量子相干性，使得该类化合物具备作为量子比特应用于量子信息科学中的潜力。

 异核双金属富勒烯CaY@Cs(6)-C82和CaY@C2v(5)-C80通过直流电弧放电法合成获得，随后利用单晶X射线衍射法对其中的CaY@C82进行晶体结构表征，证实了其分子结构为CaY@Cs(6)-C82（图1）。晶体结构分析表明，Ca1•••Y1的距离为3.691 Å，与Ca和Y的共价半径之和十分接近（3.66 Å）。同时，该距离与Y2@Cs(6)-C82中的Y•••Y距离（3.635 Å）和ScY@C3v(8)-C82中的Sc•••Y距离（3.674 Å）相当。

 CaY@Cs(6)-C82和CaY@C2v(5)-C80的CW-EPR谱图都显示出两个裂分峰，这表明该体系中存在一个未成对电子，且该电子与一个89Y核（89Y，I = 1/2，自然丰度为100%；40Ca，I = 0，自然丰度为96.941%）之间存在超精细耦合相互作用，表明Ca与Y之间存在单电子键。

 对CaY@C2n（2n = 80和82）相应的自旋密度分布分析显示未成对电子离域在两个金属之间，形成了一个单电子金属-金属键（图3b）。此外，如图3c所示，由于Ca的4s4p轨道和Y的5s5p4d轨道之间的重叠，未成对电子位于一个σ成键轨道（a1）上。尽管自旋密度分布和a1轨道看上去很对称，但是Ca和Y上的原子Mulliken自旋布居数分别约为0.4 e和0.7 e，这表明该金属-金属键表现出一定程度的极化。这种极化主要是由s轨道造成的（Ca和Y上的s自旋密度布居数分别约为16%和27%）。

 此外，还通过Pulse-EPR波谱研究了Ca-Y单电子键中的电子自旋的量子相干性。由于Ca-Y键的s轨道特征以及碳笼的保护作用，该电子自旋的自旋-晶格弛豫以及退相干受到了有效的抑制。因此，CaY@Cs(6)-C82展现出了良好的量子比特性质，在40 K时的退相干时间可达7.74(2) µs，并且可以对该体系中的电子自旋实现相干操控。这表明CaY@Cs(6)-C82可以作为一种新型的电子自旋量子比特，在量子信息科学领域具备潜在的应用价值。

 这项工作首次得到了碱土-稀土金属-金属键，并且发现CaY@Cs(6)-C82是一类新型的分子电子自旋量子比特，在量子信息科学领域具有潜在的应用价值。

 这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是苏州大学硕士研究生仇佳炜、西班牙罗维拉-威尔吉利大学Laura Abella博士和西湖大学博士研究生杜茜娅。苏州大学谌宁教授、西班牙罗维拉-威尔吉利大学Antonio Rodríguez Fortea教授和西湖大学孙磊教授为共同通讯作者。