Naukowcy przedstawiają przełomową koncepcję projektową materiałów kwantowych nowej generacji

Naukowcy z NUS stworzyli nowy nanografen magnetyczny w kształcie motyla, który można ulepszyć obliczenia kwantowe umożliwiając lepszą kontrolę spinów elektronów i wydłużając czasy koherencji bitów kwantowych.

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NUS) zaprezentowali przełomową koncepcję projektu materiałów kwantowych nowej generacji na bazie węgla. Stworzyli niewielki nanografen magnetyczny w kształcie motyla, w którym znajdują się wysoce skorelowane spiny, co ukazuje znaczny potencjał postępu w technologiach informacji kwantowej.

Nanografen magnetyczny, maleńka struktura wykonana z grafen cząsteczek, wykazuje niezwykłe właściwości magnetyczne ze względu na zachowanie określonych elektronów na orbitali π atomów węgla. W przeciwieństwie do konwencjonalnych materiałów magnetycznych wytwarzanych z metali ciężkich, w których biorą udział różne typy elektronów z orbitali d i f, elektrony π węgla odgrywają wyjątkową rolę. Dzięki precyzyjnemu projektowaniu rozmieszczenia tych atomów węgla w nanoskalamożna uzyskać kontrolę nad zachowaniem tych unikalnych elektronów.

Czyni to nanografen wysoce obiecującym narzędziem do tworzenia niezwykle małych magnesów i wytwarzania podstawowych komponentów, zwanych bitami lub kubitami kwantowymi, niezbędnych do rozwoju komputerów kwantowych. Wysokiej jakości kubity muszą utrzymywać swój stan kwantowy przez dłuższy czas, zwany czasem koherencji, a jednocześnie działać szybko. Wiadomo, że materiały na bazie węgla wydłużają czasy koherencji kubitów spinowych ze względu na ich dwie unikalne właściwości: słabe sprzężenia spin-orbita i nadsubtelne, które skutecznie zapobiegają dekoherencji spinów elektronów.

Zespół badaczy kierowany przez profesora nadzwyczajnego LU Jionga z Wydziału Chemii NUS i Instytutu Inteligentnych Materiałów Funkcjonalnych, wraz z profesorem Jishanem WU, również z Wydziału Chemii NUS, oraz międzynarodowymi współpracownikami opracował metodę projektowania i tworzenia dużych w pełni stopiony nanografen magnetyczny w kształcie motyla. Ta unikalna struktura składa się z czterech zaokrąglonych trójkątów przypominających skrzydła motyla, przy czym każde z tych skrzydeł zawiera niesparowany elektron π odpowiedzialny za obserwowane właściwości magnetyczne. Osiągnięcie to przypisuje się precyzyjnemu projektowi sieci π-elektronów w nanostrukturalnym grafenie.

Profesor Lu powiedział: „Nanografen magnetyczny, maleńka cząsteczka złożona ze skondensowanych pierścieni benzenowych, jest niezwykle obiecująca jako materiał kwantowy nowej generacji zapewniający fascynujące spiny kwantowe ze względu na swoją wszechstronność chemiczną i długi czas spójności spinu. Jednak tworzenie wielu silnie splątanych spinów w takich układach jest trudnym, ale niezbędnym zadaniem przy budowie skalowalnych i złożonych sieci kwantowych.

To znaczące osiągnięcie wynika ze ścisłej współpracy chemików zajmujących się syntezą, materiałoznawców i fizyków, w tym kluczowych współpracowników profesora Pavla Jelineka i dr Libora Vei, obaj z Czeskiej Akademii Nauk w Pradze.

Przełom w badaniach został niedawno opublikowany w czasopiśmie naukowym Chemia Przyrody.

Nanografen magnetyczny nowej generacji o silnie splątanych spinach

Właściwości magnetyczne nanografenu wynikają zwykle z rozmieszczenia jego specjalnych elektronów, zwanych elektronami π, lub siły ich oddziaływań. Trudno jest jednak połączyć te właściwości w celu utworzenia wielu skorelowanych spinów. Ponadto nanografen w przeważającej mierze wykazuje szczególny porządek magnetyczny, w którym spiny są ustawione albo w tym samym kierunku (ferromagnetyczne), albo w przeciwnych kierunkach (antyferromagnetyczne).

Aby sprostać tym wyzwaniom, naukowcy opracowali nowy rodzaj nanografenu magnetycznego. Stworzyli nanografen o właściwościach ferromagnetycznych i antyferromagnetycznych, który ma kształt motyla, utworzony przez połączenie czterech mniejszych trójkątów w romb pośrodku, mierzący około 3 nanometrów.

Aby wyprodukować ten nanografen motylkowy, naukowcy początkowo zaprojektowali specjalny prekursor cząsteczki za pomocą konwencjonalnej chemii w roztworze. Prekursor ten wykorzystano następnie do późniejszej syntezy na powierzchni, nowego typu reakcji chemicznej w fazie stałej przeprowadzanej w środowisku próżniowym. Takie podejście umożliwiło naukowcom precyzyjną kontrolę kształtu i struktury nanografenu na poziomie atomowym.

Intrygującym aspektem tego motyliego nanografenu jest to, że ma on cztery niesparowane elektrony π, których spiny są głównie zdelokalizowane w obszarach „skrzydeł” i splątane razem. Wykorzystując ultrazimny mikroskop skanujący z nikloceńską końcówką jako czujnik wirowania w skali atomowej, badacze zmierzyli egzotyczny magnetyzm nanografenów motylkowych. Ponadto ta nowa technika pomaga naukowcom bezpośrednio badać splątane spiny, aby zrozumieć, jak magnetyzm nanografenu działa w skali atomowej. Ten przełom nie tylko rozwiązuje istniejące wyzwania, ale także otwiera nowe możliwości precyzyjnego kontrolowania właściwości magnetycznych w najmniejszej skali, co prowadzi do ekscytujących postępów w badaniach nad materiałami kwantowymi.

„Wnioski uzyskane w wyniku tego badania torują drogę do tworzenia organicznych materiałów kwantowych nowej generacji z designerskimi architekturami spinu kwantowego. Patrząc w przyszłość, naszym celem jest zmierzenie dynamiki spinu i czasu koherencji na poziomie pojedynczej cząsteczki oraz spójne manipulowanie tymi splątanymi spinami. Stanowi to znaczący krok w kierunku uzyskania wydajniejszych możliwości przetwarzania i przechowywania informacji” – dodał doc. prof. Lu.

Odniesienie: „Wysoce splątany wielorodnikowy nanografen ze współistniejącą silną korelacją i frustracją topologiczną” autorstwa Shaotang Song, Andrés Pinar Solé, Adam Matěj, Guangwu Li, Oleksandr Stetsovych, Diego Soler, Huimin Yang, Mykola Telychko, Jing Li, Manish Kumar, Qifan Chen, Shayan Edalatmanesh, Jiri Brabec, Libor Veis, Jishan Wu, Pavel Jelinek i Jiong Lu, 19 lutego 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01453-9