Вчені оприлюднили концепцію дизайну квантових матеріалів нового покоління

Дослідники з Національного університету Сінгапуру (NUS) оприлюднили революційну концепцію дизайну квантових матеріалів на основі вуглецю нового покоління. Вони створили крихітний магнітний нанографен у формі метелика, який містить висококорельовані спіни, демонструючи значний потенціал для розвитку квантових інформаційних технологій.

Магнітний нанографен, крихітна структура з молекул графену , виявляє чудові магнітні властивості завдяки поведінці певних електронів на π-орбіталях атомів вуглецю. На відміну від звичайних магнітних матеріалів, виготовлених з використанням важких металів, де задіяні різні типи електронів з d- або f-орбіталей, π-електрони вуглецю відіграють унікальну роль. Завдяки точному плануванню розташування цих атомів вуглецю на нанорозмірі можна досягти контролю над поведінкою цих унікальних електронів.

Це робить нанографен дуже перспективним для створення надзвичайно малих магнітів і для виготовлення основних компонентів, відомих як квантові біти або кубіти, необхідних для розробки квантових комп’ютерів. Високоякісні кубіти повинні підтримувати свій квантовий стан протягом тривалого часу, відомого як час когерентності, при цьому працюючи швидко. Відомо, що матеріали на основі вуглецю збільшують час когерентності спінових кубітів завдяки своїм двом унікальним властивостям: слабкій спін-орбітальній та надтонким зв’язкам, які ефективно запобігають декогерентності спінів електронів.

Команда дослідників під керівництвом доцента LU Jiong з кафедри хімії NUS та Інституту функціональних інтелектуальних матеріалів разом із професором Jishan WU також з кафедри хімії NUS та міжнародними співробітниками розробили метод проектування та створення великого повністю злитий магнітний нанографен у формі метелика. Ця унікальна структура складається з чотирьох округлих трикутників, що нагадують крила метелика, у кожному з цих крил міститься неспарений π-електрон, відповідальний за спостережувані магнітні властивості. Це досягнення пояснюється атомно-точним дизайном мережі π-електронів у наноструктурованому графені.

Доцент Лу сказав: «Магнітний нанографен, крихітна молекула, що складається з плавлених бензольних кілець, має значні перспективи як квантовий матеріал наступного покоління для розміщення захоплюючих квантових спінів завдяки своїй хімічній універсальності та тривалому часу когерентності обертання. Однак створення багатьох заплутаних спінів у таких системах є складним, але важливим завданням для побудови масштабованих і складних квантових мереж».

Це значне досягнення стало результатом тісної співпраці хіміків-синтетиків, матеріалознавців і фізиків, у тому числі професора Павла Єлінека та доктора Лібора Вея з Чеської академії наук у Празі.

Прорив у дослідженні нещодавно опублікували в науковому журналі Nature Chemistry .

Магнітний нанографен нового покоління з сильно заплутаними спінами

Магнітні властивості нанографену зазвичай випливають із розташування його спеціальних електронів, відомих як π-електрони, або сили їх взаємодії. Однак важко змусити ці властивості працювати разом для створення кількох корельованих спінів. Крім того, нанографен переважно демонструє особливий магнітний порядок, де спини вирівнюються або в одному напрямку (феромагнітний), або в протилежних напрямках (антиферомагнітний).

Дослідники розробили новий вид магнітного нанографена, щоб подолати ці проблеми. Вони створили нанографен із як феромагнітними, так і антиферомагнітними властивостями, який має форму метелика, створений шляхом поєднання чотирьох менших трикутників у ромб у центрі розміром приблизно 3 нанометри.

Щоб виготовити цей нанографен метелика, дослідники спочатку розробили спеціальний попередник молекули за допомогою звичайної хімії в розчині. Потім цей прекурсор використовувався для подальшого поверхневого синтезу, нового типу твердофазної хімічної реакції, що виконується у вакуумному середовищі. Такий підхід дозволив дослідникам точно контролювати форму та структуру нанографену на атомному рівні.

Інтригуючим аспектом цього нанографена метелика є те, що він має чотири неспарених π-електрони, спини яких переважно делокалізовані в областях «крил» і переплутані разом. За допомогою ультрахолодного скануючого зондового мікроскопа з нікелоценовим наконечником як датчика обертання в атомному масштабі дослідники виміряли екзотичний магнетизм нанографенів метелика. Крім того, ця нова техніка допомагає вченим безпосередньо досліджувати заплутані спіни, щоб зрозуміти, як працює магнетизм нанографену в атомному масштабі. Цей прорив не тільки вирішує існуючі проблеми, але й відкриває нові можливості для точного контролю магнітних властивостей у найменшому масштабі, що призводить до захоплюючих успіхів у дослідженні квантових матеріалів.

«Інформація, отримана в результаті цього дослідження, прокладає шлях для створення органічних квантових матеріалів нового покоління з дизайнерською квантовою спіновою архітектурою. Забігаючи вперед, наша мета полягає в тому, щоб виміряти динаміку спіну та час когерентності на рівні однієї молекули та когерентно маніпулювати цими заплутаними спінами. Це є значним кроком у напрямку досягнення потужніших можливостей обробки та зберігання інформації», – додав доцент Лу.