Farfalla magnetica: Gli scienziati svelano un concetto di design innovativo per i materiali quantistici di prossima generazione

I ricercatori della NUS hanno creato un nanographene magnetico a forma di farfalla, avanzando le tecnologie dell'informazione quantistica con i suoi unici spin correlati. Questa scoperta offre potenziale per qubit di prossima generazione con tempi di coerenza migliorati. Credito: Università Nazionale di Singapore

I ricercatori della NUS hanno creato un nuovo nanographene magnetico a forma di farfalla che potrebbe migliorare il calcolo quantistico consentendo un migliore controllo degli spin degli elettroni e prolungando i tempi di coerenza dei bit quantistici.

I ricercatori dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno presentato un concetto di design innovativo per materiali quantistici a base di carbonio di prossima generazione. Hanno creato un piccolo nanographene magnetico a forma di farfalla che ospita spin altamente correlati, dimostrando un significativo potenziale per avanzamenti nelle tecnologie delle informazioni quantistiche.

Il nanographene magnetico, una piccola struttura fatta di molecole di grafene, presenta notevoli proprietà magnetiche a causa del comportamento di specifici elettroni negli orbitali π degli atomi di carbonio. A differenza dei materiali magnetici convenzionali prodotti utilizzando metalli pesanti, dove sono coinvolti diversi tipi di elettroni dagli orbitali d- o f-, gli elettroni π del carbonio svolgono un ruolo unico. Progettando con precisione l'arrangiamento di questi atomi di carbonio a livello nanometrico, è possibile ottenere controllo sul comportamento di questi elettroni unici.

Questo rende il nanographene estremamente promettente per creare magneti estremamente piccoli e per fabbricare i componenti di base, noti come bit quantistici o qubit, fondamentali per lo sviluppo dei computer quantistici. I qubit di alta qualità devono mantenere il loro stato quantistico per una durata prolungata nota come tempo di coerenza, operando rapidamente. I materiali a base di carbonio sono noti per prolungare i tempi di coerenza degli spin qubit, a causa delle loro due proprietà uniche: accoppiamenti spin-orbita e iperfini deboli che impediscono efficacemente la decoerenza degli spin degli elettroni.

Figura che illustra una rappresentazione visiva della "farfalla" magnetica che ospita quattro spin intrecciati sulle "ali" (sinistra) e la relativa immagine a scala atomica ottenuta utilizzando la microscopia a sonda a scansione (destra). Credito: Università Nazionale di Singapore

Il team di ricercatori guidato dall'Associate Professor LU Jiong del Dipartimento di Chimica della NUS e dell'Istituto per Materiali Intelligenti Funzionali, insieme al Professor Jishan WU anche del Dipartimento di Chimica della NUS, e collaboratori internazionali, ha sviluppato un metodo per progettare e creare un grande nanographene magnetico a forma di farfalla completamente fuso. Questa struttura unica ha quattro triangoli arrotondati che assomigliano a ali di farfalla, con ciascuna di queste ali che tiene un elettrone π non accoppiato responsabile delle proprietà magnetiche osservate. Questo traguardo è attribuito alla progettazione precisa su base atomica della rete di elettroni π nel grafene nanostrutturato.

L'Assoc Prof Lu ha dichiarato: "Il nanographene magnetico, una piccola molecola composta da anelli di benzene fusi, ha un significativo potenziale come materiale quantistico di prossima generazione per ospitare spin quantistici affascinanti a causa della sua versatilità chimica e del lungo tempo di coerenza degli spin. Tuttavia, creare multiple spin altamente intrecciati in tali sistemi è un compito impegnativo ma essenziale per costruire reti quantistiche scalabili e complesse."

Questo significativo successo deriva da una stretta collaborazione tra chimici sintetici, scienziati dei materiali e fisici, inclusi i contribuenti chiave Professor Pavel Jelinek e il Dr Libor Vei, entrambi della Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca a Praga.

Il recente progresso della ricerca è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Chemistry.

Le proprietà magnetiche del nanographene derivano solitamente dall'arrangiamento dei suoi elettroni speciali, noti come elettroni π, o dalla forza delle loro interazioni. Tuttavia, è difficile far sì che queste proprietà lavorino insieme per creare spin correlati multipli. Inoltre, il nanographene prevalentemente mostra un singolo ordine magnetico, in cui gli spin si allineano in direzione opposta (ferromagnetico) o in direzioni opposte (antiferromagnetico).

I ricercatori della NUS Assoc Prof Lu Jiong (sinistra), Prof Wu Jishan (destra) e il Dr Song Shaotang (centro) hanno fatto parte del team di ricerca multidisciplinare che ha sviluppato il nanographene magnetico a forma di farfalla che potrebbe essere utilizzato per tecnologie quantistiche. Credito: Università Nazionale di Singapore

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di nanographene magnetico per superare queste sfide. Hanno creato un nanographene, con proprietà sia ferromagnetiche che antiferromagnetiche, che ha una forma a farfalla, composto combinando quattro triangoli più piccoli in un rombo al centro, misurando approssimativamente 3 nanometri di dimensione.