science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nieuw nanomateriaal voor kwantumelektronica

Het gebruik van redox-actieve organische moleculen en magnetische metaalionen als moleculaire bouwstenen voor materialen vertegenwoordigt een nieuwe strategie voor nieuwe soorten 2D-materialen die zowel een hoge elektronische geleidbaarheid als magnetische orde vertonen. Credit:Kasper Steen Pedersen en We Love People.

Een internationaal team onder leiding van universitair docent Kasper Steen Pedersen, DTU Chemie, heeft een nieuw nanomateriaal gesynthetiseerd met elektrische en magnetische eigenschappen waardoor het geschikt is voor toekomstige kwantumcomputers en andere toepassingen in de elektronica.

Chroomchloride-pyrazine (chemische formule CrCl 2 (pyrazine) 2 ) is een gelaagd materiaal, wat een voorloper is van een zogenaamd 2D-materiaal. In principe, een 2D-materiaal heeft een dikte van slechts een enkel molecuul en dit leidt vaak tot eigenschappen die heel anders zijn dan die van hetzelfde materiaal in een normale 3D-versie; niet in het minst, de elektrische eigenschappen zullen verschillen. Terwijl in een 3D-materiaal, elektronen kunnen alle kanten op, in een 2D-materiaal zullen ze beperkt zijn tot horizontaal bewegen - zolang de golflengte van het elektron langer is dan de dikte van de 2D-laag.

Organische/anorganische hybride

Grafeen is het meest bekende 2D-materiaal. Grafeen bestaat uit koolstofatomen in een roosterstructuur, wat zijn opmerkelijke kracht oplevert. Sinds de eerste synthese van grafeen in 2004, honderden andere 2D-materialen zijn gesynthetiseerd, waarvan sommige kandidaten kunnen zijn voor toepassingen in de kwantumelektronica. Echter, het nieuwe materiaal is gebaseerd op een heel ander concept. Terwijl de andere kandidaten allemaal anorganisch zijn - net als grafeen - is chroom-chloride-pyrazine een organisch/anorganisch hybride materiaal.

"Het materiaal markeert een nieuw type chemie, waarbij we in staat zijn om verschillende bouwstenen in het materiaal te vervangen en daardoor de fysische en chemische eigenschappen ervan aan te passen. Dit kan niet in grafeen. Bijvoorbeeld, men kan er niet voor kiezen om de helft van de koolstofatomen in grafeen te vervangen door een ander soort atoom. Onze aanpak maakt het mogelijk om eigenschappen veel nauwkeuriger te ontwerpen dan bekend bij andere 2D-materialen, " legt Kasper Steen Pedersen uit.

Het gebruik van redox-actieve organische moleculen en magnetische metaalionen als moleculaire bouwstenen voor materialen vertegenwoordigt een nieuwe strategie voor nieuwe soorten 2D-materialen die zowel een hoge elektronische geleidbaarheid als magnetische orde vertonen. Credit:Kasper Steen Pedersen en We Love People.

Naast de elektrische eigenschappen, ook de magnetische eigenschappen in Chroom-Chloride-Pyrazine kunnen nauwkeurig worden ontworpen. Dit is vooral relevant met betrekking tot "spintronica".

"Terwijl in normale elektronica, alleen de lading van de elektronen wordt gebruikt, Maar ook elektronenspin - wat een kwantummechanische eigenschap is - wordt gebruikt in spintronica. Dit is zeer interessant voor kwantumcomputertoepassingen. Daarom, ontwikkeling van materialen op nanoschaal die zowel geleidend als magnetisch zijn, is het meest relevant, ’ merkt Kasper Steen Pedersen op.

Een nieuwe wereld van 2D-materialen

Naast kwantumcomputers, chroom-chloride-pyrazine kan interessant zijn in toekomstige supergeleiders, katalysatoren, batterijen, brandstofcellen, en elektronica in het algemeen.

Bedrijven willen niet meteen beginnen met de productie van het materiaal, benadrukt de onderzoeker:"Nog niet, minstens! Dit is nog steeds fundamenteel onderzoek. Aangezien we een materiaal suggereren dat gesynthetiseerd is vanuit een geheel nieuwe benadering, een aantal vragen blijft onbeantwoord. Bijvoorbeeld, we kunnen de mate van stabiliteit van het materiaal in verschillende toepassingen nog niet bepalen. Echter, zelfs als chroom-chloride-pyrazine om de een of andere reden niet geschikt zou zijn voor de verschillende mogelijke toepassingen, de nieuwe principes achter de synthese ervan zullen nog steeds relevant zijn. Dit is de deur naar een nieuwe wereld van meer geavanceerde 2D-materialen die opengaat."