Magnetische Vlinder: Wetenschappers onthullen baanbrekend ontwerpconcept voor volgende generatie kwantummaterialen

Onderzoekers van de NUS hebben een vlindervormige magnetische nanographene gemaakt, waarmee ze de technologieën voor kwantuminformatie verder hebben ontwikkeld door middel van unieke gecorreleerde spins. Deze ontdekking biedt mogelijkheden voor next-gen qubits met verbeterde coherentietijden. Credit: National University of Singapore

Onderzoekers van de NUS hebben een nieuwe vlindervormige magnetische nanographene gemaakt die de quantum computing kan verbeteren door een betere controle over de elektronenspins mogelijk te maken en de coherentietijden van kwantumbits te verlengen.

Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een baanbrekend ontwerpen concept onthuld voor koolstofgebaseerde kwantummaterialen van de volgende generatie. Ze hebben een kleine, vlindervormige magnetische nanographene gemaakt die sterk gecorreleerde spins bevat en aanzienlijke potentie laat zien voor vooruitgang in kwantuminformatietechnologieën.

Magnetische nanographene, een kleine structuur gemaakt van grafeenmoleculen, vertoont opmerkelijke magnetische eigenschappen als gevolg van het gedrag van specifieke elektronen in de π-orbitalen van de koolstofatomen. In tegenstelling tot conventionele magnetische materialen die worden geproduceerd met behulp van zware metalen, waar verschillende soorten elektronen uit d- of f-orbitalen betrokken zijn, spelen de π-elektronen van koolstof een unieke rol. Door het arrangement van deze koolstofatomen op nanoschaal nauwkeurig te ontwerpen, kan controle over het gedrag van deze unieke elektronen worden bereikt.

Dit maakt nanographene zeer veelbelovend voor het creëren van uiterst kleine magneten en voor het produceren van de basiscomponenten, bekend als kwantumbits of qubits, die essentieel zijn voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Hoogwaardige qubits moeten hun kwantumtoestand gedurende een langere periode handhaven, die bekend staat als coherentietijd, terwijl ze snel werken. Koolstofgebaseerde materialen staan bekend om het verlengen van de coherentietijden van spins-qubits, vanwege hun twee unieke eigenschappen: zwakke spin-baan en hyperfijne koppelingen die effectief het wegvallen van elektronenspins voorkomen.

Afbeelding die een visuele indruk geeft van de magnetische "vlinder" met vier verstrengelde spins op de "vleugels" (links) en de corresponderende atomaire beeld op nanoschaal verkregen met scanning probe-microscopie (rechts). Credit: National University of Singapore

Het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent LU Jiong van de NUS-afdeling Scheikunde en Instituut voor Functionele Intelligente Materialen, samen met Professor Jishan WU ook van de NUS-afdeling Scheikunde, en internationale samenwerkingspartners, heeft een methode ontwikkeld voor het ontwerpen en maken van een grote volledig gefuseerde vlindervormige magnetische nanographene. Deze unieke structuur heeft vier afgeronde driehoeken die lijken op vlindervleugels, waarbij elke van deze vleugels een ongepaard π-elektron vasthoudt dat verantwoordelijk is voor de waargenomen magnetische eigenschappen. Dit succes is toe te schrijven aan het atomaire nauwkeurige ontwerp van het π-elektronennetwerk in het nano-gestructureerde grafeen.

Assoc. Prof. Lu zei: "Magnetische nanographene, een kleine molecule samengesteld uit gefuseerde benzeenringen, heeft aanzienlijk potentieel als een kwantummateriaal van de volgende generatie voor het herbergen van fascinerende quantumspins vanwege zijn chemische veelzijdigheid en lange sping-coherentietijd. Het is echter een uitdagende maar essentiële taak om meerdere sterk onderling verbonden spins in dergelijke systemen te creëren voor het bouwen van schaalbare en complexe quantumnetwerken."

Deze significante prestatie is het resultaat van nauwe samenwerking tussen synthetische chemici, materiaalwetenschappers en fysici, met onder meer de belangrijke bijdragen van professor Pavel Jelinek en dr. Libor Vei, beiden van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag.

De onderzoeksdoorbraak is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Chemistry.

De magnetische eigenschappen van nanographene zijn meestal afgeleid van de rangschikking van zijn speciale elektronen, bekend als π-elektronen, of de sterkte van hun interacties. Het is echter moeilijk om deze eigenschappen samen te laten werken om meerdere onderling verbonden spins te creëren. Bovendien vertoont nanographene voornamelijk een enkelvoudige magnetische volgorde, waarbij spins zich ofwel in dezelfde richting (ferromagnetisch) of in tegengestelde richtingen (antiferromagnetisch) uitlijnen.

NUS-onderzoekers Assoc, Prof. Lu Jiong (links), Prof. Wu Jishan (rechts) en Dr. Song Shaotang (midden) maakten deel uit van het multidisciplinaire onderzoeksteam dat de vlindervormige magnetische nanographene ontwikkelde die kan worden gebruikt voor kwantumtechnologieën. Credit: National University of Singapore

De onderzoekers hebben een nieuw soort magnetische nanographene ontwikkeld om deze uitdagingen te overwinnen. Ze hebben een nanographene gemaakt, met zowel ferromagnetische als antiferromagnetische eigenschappen, die een vlindervorm heeft, gemaakt door vier kleinere driehoeken in een ruit in het midden samen te voegen, met een grootte van ongeveer 3 nanometer.