En magnetisk nanografen sommerfugl klar til at fremme kvanteteknologier

Forskere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet et nyt designkoncept til at skabe næste generation af kulstofbaserede kvantematerialer i form af en lille magnetisk nanografen med en unik sommerfugleform, der er vært for stærkt korrelerede spins. Dette nye design har potentialet til at fremskynde udviklingen af ​​kvantematerialer, som er afgørende for udviklingen af ​​sofistikerede kvantecomputerteknologier, der er klar til at revolutionere informationsbehandling og lagringskapaciteter med høj tæthed.

Holdet blev ledet af lektor Lu Jiong fra NUS Institut for Kemi og Institut for Funktionelle Intelligente Materialer sammen med professor Wu Jishan, som også er fra NUS Institut for Kemi, og internationale samarbejdspartnere. Forskningen blev offentliggjort iNature Chemistry .

Magnetisk nanografen, en lille struktur lavet af grafenmolekyler, udviser bemærkelsesværdige magnetiske egenskaber på grund af opførsel af specifikke elektroner i kulstofatomernes π-orbitaler. Ved præcist at designe arrangementet af disse kulstofatomer på nanoskala kan der opnås kontrol over disse unikke elektroners opførsel. Dette gør nanografen meget lovende til at skabe ekstremt små magneter og til at fremstille grundlæggende byggesten, der er nødvendige for kvantecomputere, kaldet kvantebits eller qubits.

Den unikke struktur af den sommerfugleformede magnetiske grafen udviklet af forskerne har fire afrundede trekanter, der ligner sommerfuglevinger, hvor hver af disse vinger holder en uparret π-elektron, der er ansvarlig for de observerede magnetiske egenskaber. Strukturen blev opnået gennem et atomært præcist design af π-elektronnetværket i den nanostrukturerede grafen.

Assoc Prof Lu sagde:"Magnetisk nanografen, et lillebitte molekyle sammensat af sammensmeltede benzenringe, har et betydeligt løfte som næste generations kvantemateriale til at være vært for fascinerende kvantespin på grund af dets kemiske alsidighed og lange spinkohærens tid. Men skaber flere meget sammenfiltrede spins i sådanne systemer er en skræmmende, men alligevel væsentlig opgave til at bygge skalerbare og komplekse kvantenetværk."

Præstationen er et resultat af tæt samarbejde mellem syntetiske kemikere, materialeforskere og fysikere, herunder nøglebidragydere professor Pavel Jelinek og Dr. Libor Vei fra Det Tjekkiske Videnskabsakademi i Prag.

Næste generation af magnetisk nanografen med meget sammenfiltrede spins

De magnetiske egenskaber af nanografen er normalt afledt af arrangementet af dets specielle elektroner, kendt som π-elektroner, eller styrken af ​​deres interaktioner. Det er dog svært at få disse egenskaber til at arbejde sammen for at skabe flere korrelerede spins. Nanografen udviser også overvejende en enestående magnetisk orden, hvor spins retter sig enten i samme retning (ferromagnetisk) eller i modsatte retninger (antiferromagnetisk).

Forskerne udviklede en metode til at overvinde disse udfordringer. Deres sommerfugleformede nanografen, med både ferromagnetiske og antiferromagnetiske egenskaber, er dannet ved at kombinere fire mindre trekanter til en rombe i midten. Nanografenet måler cirka 3 nanometer i størrelse.

For at producere "sommerfuglen" nanografen designet forskerne oprindeligt en speciel molekyle-precursor via konventionel kemi i opløsning. Denne precursor blev derefter brugt til den efterfølgende syntese på overfladen, en ny type fastfase-kemisk reaktion udført i et vakuummiljø. Denne tilgang gjorde det muligt for forskerne præcist at kontrollere formen og strukturen af ​​nanografen på atomniveau.

Et spændende aspekt af "sommerfuglen" nanografen dens fire uparrede π-elektroner, med spin hovedsageligt delokaliseret i "vinge"-områderne og viklet sammen. Ved hjælp af et ultra-koldt scanning-probe-mikroskop med en nikkelocen-spids som en atom-skala spin-sensor målte forskerne magnetismen af ​​sommerfuglens nanografener. Derudover hjælper denne nye teknik videnskabsmænd med at dirigere sondeindfiltrede spins for at forstå, hvordan nanografens magnetisme virker på atomær skala.

Gennembruddet tackler ikke kun eksisterende udfordringer, men åbner også for nye muligheder for præcist at kontrollere de magnetiske egenskaber i den mindste skala, hvilket fører til spændende fremskridt inden for forskning i kvantematerialer.

"Indsigten opnået fra denne undersøgelse baner vejen for at skabe en ny generation af organiske kvantematerialer med designer kvantespinarkitekturer. Når vi ser fremad, er vores mål at måle spindynamikken og kohærenstiden på enkeltmolekyleniveau og manipulere disse sammenfiltrede spins sammenhængende Dette repræsenterer et betydeligt fremskridt i retning af at opnå mere kraftfulde informationsbehandlings- og lagringskapaciteter," sagde professor Lu.

Flere oplysninger: Shaotang Song et al., Meget sammenfiltret polyradikal nanografen med sameksisterende stærk korrelation og topologisk frustration, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01453-9

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af National University of Singapore