Wetenschap
Een magnetische nanografeenvlinder die klaar is om kwantumtechnologieën vooruit te helpen
Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben een nieuw ontwerpconcept ontwikkeld voor het creëren van de volgende generatie op koolstof gebaseerde kwantummaterialen, in de vorm van een klein magnetisch nanografeen met een unieke vlindervorm die sterk gecorreleerde spins herbergt. Dit nieuwe ontwerp heeft het potentieel om de vooruitgang te versnellen van kwantummaterialen die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van geavanceerde kwantumcomputertechnologieën die klaar zijn om een revolutie teweeg te brengen in de informatieverwerking en opslagmogelijkheden met hoge dichtheid.
Het team werd geleid door universitair hoofddocent Lu Jiong van het NUS-departement Scheikunde en het Instituut voor Functioneel Intelligente Materialen, samen met professor Wu Jishan, die ook afkomstig is van het NUS-departement Scheikunde, en internationale medewerkers. Het onderzoek is gepubliceerd inNature Chemistry .
Magnetisch nanografeen, een kleine structuur gemaakt van grafeenmoleculen, vertoont opmerkelijke magnetische eigenschappen vanwege het gedrag van specifieke elektronen in de π-orbitalen van de koolstofatomen. Door de rangschikking van deze koolstofatomen op nanoschaal nauwkeurig te ontwerpen, kan controle over het gedrag van deze unieke elektronen worden bereikt. Dit maakt nanografeen zeer veelbelovend voor het maken van extreem kleine magneten en voor het fabriceren van fundamentele bouwstenen die nodig zijn voor kwantumcomputers, genaamd kwantumbits of qubits.
De unieke structuur van het door de onderzoekers ontwikkelde vlindervormige magnetische grafeen heeft vier afgeronde driehoeken die op vlindervleugels lijken, waarbij elk van deze vleugels een ongepaard π-elektron bevat dat verantwoordelijk is voor de waargenomen magnetische eigenschappen. De structuur werd bereikt door een atomair nauwkeurig ontwerp van het π-elektronennetwerk in het nanogestructureerde grafeen.
Assoc Prof. Lu zei:"Magnetisch nanografeen, een klein molecuul dat bestaat uit gefuseerde benzeenringen, is veelbelovend als kwantummateriaal van de volgende generatie voor het hosten van fascinerende kwantumspins vanwege zijn chemische veelzijdigheid en lange spincoherentietijd. Het creëren van meerdere zeer verstrengelde kwantumspins spins in dergelijke systemen is een lastige maar essentiële taak voor het bouwen van schaalbare en complexe kwantumnetwerken."
Deze prestatie is het resultaat van nauwe samenwerking tussen synthetisch chemici, materiaalwetenschappers en natuurkundigen, waaronder belangrijke bijdragers professor Pavel Jelinek en dr. Libor Vei, van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag.
Een magnetisch nanografeen van de volgende generatie met sterk verstrengelde spins
De magnetische eigenschappen van nanografeen worden meestal afgeleid van de rangschikking van de 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 gecorreleerde spins te creëren. Nanografeen vertoont ook overwegend een enkelvoudige magnetische orde, waarbij spins in dezelfde richting (ferromagnetisch) of in tegengestelde richtingen (antiferromagnetisch) uitgelijnd zijn.
De onderzoekers ontwikkelden een methode om deze uitdagingen te overwinnen. Hun vlindervormige nanografeen, met zowel ferromagnetische als antiferromagnetische eigenschappen, wordt gevormd door vier kleinere driehoeken te combineren tot een ruit in het midden. Het nanografeen is ongeveer 3 nanometer groot.
Om het ‘vlinder’-nanografeen te produceren, ontwierpen de onderzoekers aanvankelijk een speciale molecuulvoorloper via conventionele chemie in oplossing. Deze voorloper werd vervolgens gebruikt voor de daaropvolgende synthese op het oppervlak, een nieuw type chemische reactie in de vaste fase, uitgevoerd in een vacuümomgeving. Dankzij deze aanpak konden de onderzoekers de vorm en structuur van het nanografeen op atomair niveau nauwkeurig controleren.
Een intrigerend aspect van het 'vlinder'-nanografeen zijn de vier ongepaarde π-elektronen, waarbij de spins voornamelijk gedelokaliseerd zijn in de 'vleugel'-gebieden en met elkaar verstrengeld zijn. Met behulp van een ultrakoude scanning-sondemicroscoop met een nikkeloceenpunt als spinsensor op atomaire schaal, maten de onderzoekers het magnetisme van de vlindernanografenen. Bovendien helpt deze nieuwe techniek wetenschappers om verstrengelde spins te sturen om te begrijpen hoe het magnetisme van nanografeen op atomaire schaal werkt.
De doorbraak pakt niet alleen bestaande uitdagingen aan, maar opent nieuwe mogelijkheden voor het nauwkeurig controleren van de magnetische eigenschappen op de kleinste schaal, wat leidt tot opwindende vooruitgang in het onderzoek naar kwantummaterialen.
"De inzichten uit deze studie maken de weg vrij voor het creëren van organische kwantummaterialen van de nieuwe generatie met kwantumspinarchitecturen van ontwerpers. Vooruitkijkend is ons doel om de spindynamiek en coherentietijd op het niveau van één molecuul te meten en deze verstrengelde spins op coherente wijze te manipuleren Dit vertegenwoordigt een aanzienlijke stap in de richting van krachtigere informatieverwerkings- en opslagmogelijkheden”, aldus Assoc Prof Lu.