Forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat ett nytt designkoncept för att skapa nästa generations kolbaserade kvantmaterial, i form av en liten magnetisk nanografen med en unik fjärilsform som är värd för högkorrelerade snurr. Denna nya design har potential att påskynda utvecklingen av kvantmaterial som är avgörande för utvecklingen av sofistikerad kvantberäkningsteknik som är redo att revolutionera informationsbehandling och lagringskapacitet med hög densitet.
Teamet leddes av docent Lu Jiong från NUS Department of Chemistry och Institute for Functional Intelligent Materials, tillsammans med professor Wu Jishan som också är från NUS Department of Chemistry och internationella samarbetspartners. Forskningen publicerades iNature Chemistry .
Magnetisk nanografen, en liten struktur gjord av grafenmolekyler, uppvisar anmärkningsvärda magnetiska egenskaper på grund av beteendet hos specifika elektroner i kolatomernas π-orbitaler. 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 grundläggande byggstenar som behövs för kvantdatorer, så kallade kvantbitar eller qubits.
Den unika strukturen hos den fjärilsformade magnetiska grafenen som utvecklats av forskarna 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. Strukturen uppnåddes genom en atomexakt design av π-elektronnätverket i den nanostrukturerade grafenen.
Assoc Prof Lu sa:"Magnetisk nanografen, en liten molekyl som består av sammansmälta bensenringar, har ett betydande löfte som nästa generations kvantmaterial för fascinerande kvantsnurr på grund av dess kemiska mångsidighet och långa spinkoherenstid. Men skapar flera mycket intrasslade snurr i sådana system är en skrämmande men ändå viktig uppgift för att bygga skalbara och komplexa kvantnätverk."
Prestationen är ett resultat av nära samarbete mellan syntetiska kemister, materialvetare och fysiker, inklusive nyckelbidragsgivare professor Pavel Jelinek och Dr. Libor Vei, från Tjeckiska vetenskapsakademin i Prag.
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. Nanografen uppvisar också övervägande en singulär magnetisk ordning, där spinn riktar sig antingen i samma riktning (ferromagnetisk) eller i motsatta riktningar (antiferromagnetisk).
Forskarna utvecklade en metod för att övervinna dessa utmaningar. Deras fjärilsformade nanografen, med både ferromagnetiska och antiferromagnetiska egenskaper, bildas genom att kombinera fyra mindre trianglar till en romb i mitten. Nanografenen är cirka 3 nanometer stor.
För att producera "fjärilen" nanografen designade forskarna initialt en speciell molekylprekursor via konventionell kemi i lösning. Denna prekursor användes sedan för den efterföljande syntesen på ytan, en ny typ av kemisk fastfasreaktion utförd i en vakuummiljö. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att exakt kontrollera formen och strukturen av nanografen på atomnivå.
En spännande aspekt av "fjärils" nanografen dess fyra oparade π-elektroner, med snurr huvudsakligen delokaliserade i "ving" regioner och intrasslad tillsammans. Med hjälp av ett ultrakallt scanningssondmikroskop med en nickelocenspets som en atomisk spinsensor mätte forskarna magnetismen hos fjärilsnanografenerna. Dessutom hjälper den här nya tekniken forskare att styra intrasslade undersökningar för att förstå hur nanografens magnetism fungerar på atomär skala.
Genombrottet tacklar inte bara befintliga utmaningar utan öppnar nya möjligheter för att exakt kontrollera de magnetiska egenskaperna i minsta skala, vilket leder till spännande framsteg inom kvantmaterialforskning.
"Insikterna från denna studie banar väg för att skapa nya generationens organiska kvantmaterial med designade kvantspinnarkitekturer. När vi blickar framåt är vårt mål att mäta spindynamiken och koherenstiden på enmolekylnivå och manipulera dessa intrasslade spinn på ett konsekvent sätt. . Detta representerar ett betydande steg mot att uppnå mer kraftfull informationsbearbetning och lagringskapacitet, säger professor Lu.
Mer information: Shaotang Song et al, Mycket intrasslad polyradikal nanografen med samexisterande stark korrelation och topologisk frustration, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01453-9
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av National University of Singapore
