Magnetischer Schmetterling: Wissenschaftler enthüllen bahnbrechendes Designkonzept für die nächste Generation von Quantenmaterialien

NUS-Forscher haben ein schmetterlingsförmiges magnetisches Nanographen erstellt und die Quanteninformations-Technologien mit seinen einzigartigen korrelierten Spins vorangetrieben. Diese Entdeckung bietet Potenzial für Qubits der nächsten Generation mit verbesserten Kohärenzzeiten. Quelle: National University of Singapore

NUS-Forscher haben ein neues schmetterlingsförmiges magnetisches Nanographen geschaffen, das die Quantenberechnung verbessern könnte, indem es eine bessere Kontrolle über Elektronenspins ermöglicht und die Kohärenzzeiten von Quantenbits verlängert.

Forscher der National University of Singapore (NUS) haben ein bahnbrechendes Designkonzept für kohlenstoffbasierte Quantenmaterialien der nächsten Generation vorgestellt. Sie haben ein winziges, schmetterlingsförmiges magnetisches Nanographen geschaffen, das stark korrelierte Spins beherbergt und damit ein bedeutendes Potenzial für Fortschritte in den Quanteninformations-Technologien zeigt.

Magnetisches Nanographen, eine winzige Struktur aus Graphenmolekülen, zeigt bemerkenswerte magnetische Eigenschaften aufgrund des Verhaltens bestimmter Elektronen in den π-Orbitalen der Kohlenstoffatome. Im Gegensatz zu herkömmlichen magnetischen Materialien, die unter Verwendung schwerer Metalle hergestellt werden, bei denen verschiedene Arten von Elektronen aus d- oder f-Orbitalen beteiligt sind, spielen die π-Elektronen von Kohlenstoff eine einzigartige Rolle. Durch die präzise Gestaltung der Anordnung dieser Kohlenstoffatome im Nanomaßstab kann die Kontrolle über das Verhalten dieser einzigartigen Elektronen erreicht werden.

Dadurch ist Nanographen äußerst vielversprechend für die Erzeugung extrem kleiner Magnete und für die Herstellung der grundlegenden Komponenten, bekannt als Quantenbits oder Qubits, die für die Entwicklung von Quantencomputern unerlässlich sind. Hochwertige Qubits müssen ihren Quantenzustand für eine längere Zeitdauer aufrechterhalten, die als Kohärenzzeit bekannt ist, während sie schnell arbeiten. Kohlenstoffbasierte Materialien verlängern die Kohärenzzeiten von Spinqubits aufgrund ihrer zwei einzigartigen Eigenschaften: schwache Spin-Bahn- und Hyperfein-Kopplungen, die effektiv die Dekohärenz der Elektronenspins verhindern.

Abbildung, die einen visuellen Eindruck des magnetischen "Schmetterlings" zeigt, der vier verschränkte Spins auf "Flügeln" beherbergt (links) und das entsprechende atomare Bild im Nano-Maßstab zeigt, das mit Rastersonden-Mikroskopie erhalten wurde (rechts). Quelle: National University of Singapore

Das Team von Forschern unter der Leitung von Professor LU Jiong vom NUS Department of Chemistry und Institute for Functional Intelligent Materials, zusammen mit Professor Jishan WU ebenfalls vom NUS Department of Chemistry und internationalen Mitarbeitern, haben eine Methode zur Gestaltung und Erzeugung eines vollständig verschmolzenen schmetterlingsförmigen magnetischen Nanographens entwickelt. Diese einzigartige Struktur hat vier abgerundete Dreiecke, die an Schmetterlingsflügel erinnern, wobei jeder dieser Flügel ein ungepaartes π-Elektron beherbergt, das für die beobachteten magnetischen Eigenschaften verantwortlich ist. Dieser Erfolg ist auf das atomgenaue Design des π-Elektronen-Netzwerks im nanostrukturierten Graphen zurückzuführen.

Assoc Prof Lu sagte: „Magnetisches Nanographen, ein winziges Molekül aus verschmolzenen Benzolringen, birgt ein erhebliches Potenzial als Quantum-Material der nächsten Generation für die Unterbringung faszinierender Quantenspins aufgrund seiner chemischen Vielseitigkeit und langen Spin-Kohärenzzeit. Die Erzeugung mehrerer hochgradig verschränkter Spins in solchen Systemen ist jedoch eine anspruchsvolle, aber wesentliche Aufgabe für den Aufbau skalierbarer und komplexer Quantennetzwerke.“

Dieser bedeutende Erfolg beruht auf einer engen Zusammenarbeit von synthetischen Chemikern, Materialwissenschaftlern und Physikern, einschließlich der Schlüsselbeiträger Professor Pavel Jelinek und Dr. Libor Vei, beide von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag.

Der Forschungsdurchbruch wurde kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Die magnetischen Eigenschaften von Nanographen werden in der Regel aus der Anordnung seiner speziellen Elektronen, bekannt als π-Elektronen, oder der Stärke ihrer Wechselwirkungen abgeleitet. Es ist jedoch schwierig, diese Eigenschaften zusammenzubringen, um mehrere korrelierte Spins zu erzeugen. Außerdem weist Nanographen überwiegend eine singuläre magnetische Ordnung auf, bei der sich Spins entweder in die gleiche Richtung (ferromagnetisch) oder in entgegengesetzte Richtungen (antiferromagnetisch) ausrichten.

NUS-Forscher Assoc Prof Lu Jiong (links), Prof Wu Jishan (rechts) und Dr. Song Shaotang (Mitte) waren Teil des interdisziplinären Forschungsteams, das das schmetterlingsförmige magnetische Nanographen entwickelt hat, das für Quantentechnologien eingesetzt werden könnte. Quelle: National University of Singapore

Die Forscher haben eine neue Art von magnetischem Nanographen entwickelt, um diese Herausforderungen zu überwinden. Sie haben ein Nanographen erstellt, das sowohl ferromagnetische als auch antiferromagnetische Eigenschaften aufweist und schmetterlingsförmig ist, indem sie vier kleinere Dreiecke zu einem Rhombus in der Mitte kombinieren, der etwa 3 Nanometer groß ist.