Magnetisk Fjäril: Forskare Avtäcker Banbrytande Designkoncept för Nästa Generationens Kvantmaterial

NUS-forskare skapade en fjärilsformad magnetisk nanografen, som förde fram kvantinformationsteknologier med dess unika korrelerade snurr. Denna upptäckt erbjuder potential för nästa generations qubits med förbättrade koherenstider. Kredit: National University of Singapore

NUS-forskare har skapat en ny fjärilsformad magnetisk nanografen som kan förbättra kvantberäkningen genom att möjliggöra bättre kontroll av elektronsnurr och förlänga koherenstiderna för kvantbitar.

Forskare från National University of Singapore (NUS) har avslöjat ett banbrytande designkoncept för nästa generations kolbaserade kvantmaterial. De skapade en liten, fjärilsformad magnetisk nanografen som är värd för mycket korrelerade snurr, som visar upp betydande potential för framsteg inom kvantinformationsteknik.

Magnetisk nanografen, en liten struktur gjord av grafenmolekyler, uppvisar anmärkningsvärda magnetiska egenskaper på grund av beteendet hos specifika elektroner i kolatomernas π-orbitaler. Till skillnad från konventionella magnetiska material framställda med tungmetaller, där de olika typerna av elektroner från d- eller f-orbitaler är inblandade, spelar kolets π-elektroner en unik roll. Genom att exakt utforma arrangemanget av dessa kolatomer i nanoskala kan kontroll över beteendet hos dessa unika elektroner uppnås.

Detta gör nanografen mycket lovande för att skapa extremt små magneter och för att tillverka de grundläggande komponenterna, kända som kvantbitar eller kvantbitar, som är avgörande för utvecklingen av kvantdatorer. Högkvalitativa qubits måste bibehålla sitt kvanttillstånd under en längre varaktighet som kallas koherenstid samtidigt som de fungerar snabbt. Kolbaserade material är kända för att förlänga koherenstiderna för spin qubits, på grund av deras två unika egenskaper: svag spin-omloppsbana och hyperfina kopplingar som effektivt förhindrar dekoherens av elektronspin.

Figur som illustrerar ett visuellt intryck av den magnetiska "fjärilen" som är värd för fyra intrasslade snurr på "vingar" (vänster) och dess motsvarande bild i atomskala erhållen med hjälp av skanningssondmikroskopi (höger). Kredit: National University of Singapore

Teamet av forskare under ledning av docent LU Jiong från NUS Institutionen för kemi och Institutet för funktionella intelligenta material har tillsammans med professor Jishan WU också från NUS Institutionen för kemi, och internationella samarbetspartners, utvecklat en metod för att designa och skapa en stor helt smält fjärilsformad magnetisk nanografen. Denna unika struktur har fyra rundade trianglar som liknar fjärilsvingar, där var och en av dessa vingar håller en oparad π-elektron som är ansvarig för de observerade magnetiska egenskaperna. Denna prestation tillskrivs den atomexakta designen av π-elektronnätverket i den nanostrukturerade grafenen.

Assoc Prof Lu sa: "Magnetisk nanografen, en liten molekyl som består av smälta bensenringar, har ett betydande löfte som nästa generations kvantmaterial för fascinerande kvantsnurr på grund av dess kemiska mångsidighet och långa spinkoherenstid. Men att skapa flera mycket intrasslade snurr i sådana system är en skrämmande men ändå viktig uppgift för att bygga skalbara och komplexa kvantnätverk."

Denna betydande prestation härrör från ett nära samarbete mellan syntetiska kemister, materialvetare och fysiker, inklusive nyckelbidragsgivare professor Pavel Jelinek och Dr Libor Vei, båda från Tjeckiska vetenskapsakademin i Prag.

Forskningsgenombrottet publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Chemistry.

De magnetiska egenskaperna hos nanografen härleds vanligtvis från arrangemanget av dess speciella elektroner, kända som π-elektroner, eller styrkan i deras interaktioner. Det är dock svårt att få dessa egenskaper att fungera tillsammans för att skapa flera korrelerade snurr. Dessutom uppvisar nanografen övervägande en singular magnetisk ordning, där spinn riktar sig antingen i samma riktning (ferromagnetisk) eller i motsatta riktningar (antiferromagnetisk).

NUS-forskarna Assoc Prof Lu Jiong (vänster), Prof Wu Jishan (höger) och Dr Song Shaotang (mitten) var en del av det tvärvetenskapliga forskarteamet som utvecklade den fjärilsformade magnetiska nanografen som kunde användas för kvantteknologi. Kredit: National University of Singapore

Forskarna utvecklade en ny typ av magnetisk nanografen för att övervinna dessa utmaningar. De skapade en nanografen, med både ferromagnetiska och antiferromagnetiska egenskaper, som har en fjärilsform, gjord genom att kombinera fyra mindre trianglar till en romb i mitten, som mäter cirka 3 nanometer i storlek.