Papillon Magnétique : Les scientifiques dévoilent un concept révolutionnaire de conception pour les matériaux quantiques de nouvelle génération

Des chercheurs de la NUS ont créé un nanographène magnétique en forme de papillon, faisant progresser les technologies de l'information quantique grâce à ses spins corrélés uniques. Cette découverte offre un potentiel pour les qubits de prochaine génération avec des temps de cohérence améliorés. Crédit: Université nationale de Singapour

Des chercheurs de la NUS ont créé un nouveau nanographène magnétique en forme de papillon qui pourrait améliorer l'informatique quantique en permettant un meilleur contrôle des spins électroniques et en prolongeant les temps de cohérence des bits quantiques.

Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont dévoilé un concept de conception révolutionnaire pour les matériaux quantiques à base de carbone de nouvelle génération. Ils ont créé un nanographène magnétique en forme de papillon très petit qui abrite des spins hautement corrélés, présentant un potentiel significatif pour les avancées dans les technologies de l'information quantique.

Le nanographène magnétique, une petite structure composée de molécules de graphène, présente des propriétés magnétiques remarquables en raison du comportement d'électrons spécifiques dans les orbitales π des atomes de carbone. Contrairement aux matériaux magnétiques conventionnels produits à partir de métaux lourds, où différents types d'électrons des orbitales d- ou f- sont impliqués, les électrons π du carbone jouent un rôle unique. En concevant précisément l'arrangement de ces atomes de carbone à l'échelle nanométrique, il est possible de contrôler le comportement de ces électrons uniques.

Cela rend le nanographène très prometteur pour la création d'aimants extrêmement petits et pour la fabrication des composants de base, appelés bits quantiques ou qubits, essentiels au développement des ordinateurs quantiques. Des qubits de haute qualité doivent maintenir leur état quantique pendant une durée prolongée appelée temps de cohérence tout en fonctionnant rapidement. Les matériaux à base de carbone sont connus pour prolonger les temps de cohérence des qubits de spin, en raison de leurs deux propriétés uniques : de faibles couplages spin-orbite et hyperfins qui empêchent efficacement la décohérence des spins électroniques.

Figure illustrant une impression visuelle du "papillon" magnétique hébergeant quatre spins entrelacés sur les "ailes" (à gauche) et son image à l'échelle atomique correspondante obtenue à l'aide de la microscopie à sonde locale (à droite). Crédit: Université nationale de Singapour

L'équipe de chercheurs dirigée par le professeur adjoint LU Jiong du Département de chimie de la NUS et de l'Institut des matériaux intelligents fonctionnels, ainsi que le professeur Jishan WU également du Département de chimie de la NUS, et des collaborateurs internationaux, ont développé une méthode pour concevoir et créer un grand nanographène magnétique en forme de papillon entièrement fusionné. Cette structure unique comprend quatre triangles arrondis ressemblant à des ailes de papillon, chacune de ces ailes contenant un électron π non apparié responsable des propriétés magnétiques observées. Cette réalisation est attribuée à la conception atomiquement précise du réseau d'électrons π dans le graphène nanostructuré.

Le professeur adjoint Lu a déclaré : "Le nanographène magnétique, une petite molécule composée d'anneaux de benzène fusionnés, offre une promise significative en tant que matériau quantique de prochaine génération pour abriter des spins quantiques fascinants en raison de sa polyvalence chimique et de son long temps de cohérence de spin. Cependant, créer de multiples spins hautement entrelacés dans de tels systèmes est une tâche énorme mais essentielle pour construire des réseaux quantiques évolutifs et complexes."

Cet exploit significatif découle d'une étroite collaboration entre des chimistes synthétiques, des scientifiques des matériaux et des physiciens, dont les contributeurs clés, le professeur Pavel Jelinek et le Dr Libor Vei, tous deux de l'Académie des sciences de Prague.

Cette percée a récemment été publiée dans le journal scientifique Nature Chemistry.

Les propriétés magnétiques du nanographène sont généralement dérivées de l'arrangement de ses électrons spéciaux, appelés électrons π, ou de la force de leurs interactions. Cependant, il est difficile de faire fonctionner ces propriétés ensemble pour créer de multiples spins corrélés. De plus, le nanographène présente principalement un ordre magnétique singulier, où les spins s'alignent soit dans la même direction (ferromagnétique) soit dans des directions opposées (antiferromagnétique).

Les chercheurs ont développé un nouveau type de nanographène magnétique pour surmonter ces défis. Ils ont créé un nanographène, avec à la fois des propriétés ferromagnétiques et antiferromagnétiques, ayant une forme de papillon, en combinant quatre petits triangles en un rhombus au centre, mesurant environ 3 nanomètres de taille.