Magnetyczny Motyl: Naukowcy prezentują przełomową koncepcję projektową dla materiałów kwantowych następnej generacji

Badacze z NUS stworzyli nanografen magnetyczny w kształcie motyla, przyczyniając się do rozwoju technologii informacji kwantowej dzięki unikalnym skorelowanym spinom. Odkrycie to oferuje potencjał w zakresie kubitów nowej generacji o ulepszonych czasach koherencji. Źródło: Narodowy Uniwersytet Singapuru

Badacze z NUS stworzyli nowy nanografen magnetyczny w kształcie motyla, który może ulepszyć obliczenia kwantowe, umożliwiając lepszą kontrolę spinów elektronów i wydłużając czasy koherencji bitów kwantowych.

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NUS) zaprezentowali przełomową koncepcję projektu materiałów kwantowych nowej generacji na bazie węgla. Stworzyli niewielki nanografen magnetyczny w kształcie motyla, w którym znajdują się wysoce skorelowane spiny, co ukazuje znaczny potencjał postępu w technologiach informacji kwantowej.

Nanografen magnetyczny, maleńka struktura zbudowana z cząsteczek grafenu, wykazuje niezwykłe właściwości magnetyczne dzięki zachowaniu określonych elektronów na orbitali π atomów węgla. W przeciwieństwie do konwencjonalnych materiałów magnetycznych wytwarzanych z metali ciężkich, w których biorą udział różne typy elektronów z orbitali d i f, elektrony π węgla odgrywają wyjątkową rolę. Precyzyjnie projektując rozmieszczenie tych atomów węgla w nanoskali, można uzyskać kontrolę nad zachowaniem tych unikalnych elektronów.

Czyni to nanografen wysoce obiecującym narzędziem do tworzenia niezwykle małych magnesów i wytwarzania podstawowych komponentów, zwanych bitami lub kubitami kwantowymi, niezbędnych do rozwoju komputerów kwantowych. Wysokiej jakości kubity muszą utrzymywać swój stan kwantowy przez dłuższy czas, zwany czasem koherencji, a jednocześnie działać szybko. Wiadomo, że materiały na bazie węgla wydłużają czasy koherencji kubitów spinowych ze względu na ich dwie unikalne właściwości: słabe sprzężenia spin-orbita i nadsubtelne, które skutecznie zapobiegają dekoherencji spinów elektronów.

Rysunek ilustrujący wizualne wrażenie magnetycznego „motyla” mającego cztery splątane spiny na „skrzydłach” (po lewej) i odpowiadający mu obraz w skali atomowej uzyskany za pomocą mikroskopii z sondą skanującą (po prawej). Źródło: Narodowy Uniwersytet Singapuru

Zespół badaczy kierowany przez profesora nadzwyczajnego LU Jionga z Wydziału Chemii NUS i Instytutu Inteligentnych Materiałów Funkcjonalnych, wraz z profesorem Jishanem WU, również z Wydziału Chemii NUS, oraz międzynarodowymi współpracownikami, opracował metodę projektowania i tworzenia dużych w pełni stopiony nanografen magnetyczny w kształcie motyla. Ta unikalna struktura składa się z czterech zaokrąglonych trójkątów przypominających skrzydła motyla, przy czym każde z tych skrzydeł zawiera niesparowany elektron π odpowiedzialny za obserwowane właściwości magnetyczne. Osiągnięcie to przypisuje się precyzyjnemu projektowi sieci π-elektronów w nanostrukturalnym grafenie.

Profesor Lu powiedział: „Nanografen magnetyczny, maleńka cząsteczka złożona ze skondensowanych pierścieni benzenowych, jest niezwykle obiecująca jako materiał kwantowy nowej generacji zapewniający fascynujące spiny kwantowe ze względu na swoją wszechstronność chemiczną i długi czas spójności spinu. Jednak tworzenie wielu silnie splątanych spinów w takich układach jest trudnym, ale niezbędnym zadaniem przy budowie skalowalnych i złożonych sieci kwantowych.

To znaczące osiągnięcie wynika ze ścisłej współpracy chemików zajmujących się syntezą, materiałoznawców i fizyków, w tym kluczowych współpracowników profesora Pavla Jelineka i dr Libora Vei, obaj z Czeskiej Akademii Nauk w Pradze.

Przełom w badaniach opublikowano niedawno w czasopiśmie naukowym Nature Chemistry.

Właściwości magnetyczne nanografenu wynikają zwykle z rozmieszczenia jego specjalnych elektronów, zwanych elektronami π, lub siły ich oddziaływań. Trudno jest jednak połączyć te właściwości w celu utworzenia wielu skorelowanych spinów. Ponadto nanografen w przeważającej mierze wykazuje szczególny porządek magnetyczny, w którym spiny są ustawione albo w tym samym kierunku (ferromagnetyczne), albo w przeciwnych kierunkach (antyferromagnetyczne).

Badacze z NUS, profesor Lu Jiong (po lewej), profesor Wu Jishan (po prawej) i dr Song Shaotang (w środku) byli częścią multidyscyplinarnego zespołu badawczego, który opracował nanografen magnetyczny w kształcie motyla, który można wykorzystać w technologiach kwantowych. Źródło: Narodowy Uniwersytet Singapuru

Aby sprostać tym wyzwaniom, naukowcy opracowali nowy rodzaj nanografenu magnetycznego. Stworzyli nanografen o właściwościach ferromagnetycznych i antyferromagnetycznych, który ma kształt motyla, utworzony przez połączenie czterech mniejszych trójkątów w romb pośrodku, mierzący około 3 nanometrów.