Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un nuevo concepto de diseño para crear materiales cuánticos basados en carbono de próxima generación, en forma de un pequeño nanografeno magnético con una forma de mariposa única que alberga espines altamente correlacionados. Este nuevo diseño tiene el potencial de acelerar el avance de los materiales cuánticos, que son fundamentales para el desarrollo de sofisticadas tecnologías de computación cuántica preparadas para revolucionar el procesamiento de información y las capacidades de almacenamiento de alta densidad.
El equipo fue dirigido por el profesor asociado Lu Jiong del Departamento de Química y el Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales de la NUS, junto con el profesor Wu Jishan, que también es del Departamento de Química de la NUS, y colaboradores internacionales. La investigación fue publicada enNature Chemistry .
El nanografeno magnético, una pequeña estructura hecha de moléculas de grafeno, exhibe notables propiedades magnéticas debido al comportamiento de electrones específicos en los orbitales π de los átomos de carbono. Al diseñar con precisión la disposición de estos átomos de carbono a nanoescala, se puede lograr el control sobre el comportamiento de estos electrones únicos. Esto hace que el nanografeno sea muy prometedor para crear imanes extremadamente pequeños y para fabricar bloques de construcción fundamentales necesarios para las computadoras cuánticas, llamados bits cuánticos o qubits.
La estructura única del grafeno magnético con forma de mariposa desarrollada por los investigadores tiene cuatro triángulos redondeados que se asemejan a las alas de una mariposa, y cada una de estas alas sostiene un electrón π desapareado responsable de las propiedades magnéticas observadas. La estructura se logró mediante un diseño con precisión atómica de la red de electrones π en el grafeno nanoestructurado.
El profesor asociado Lu dijo:"El nanografeno magnético, una pequeña molécula compuesta de anillos de benceno fusionados, es muy prometedor como material cuántico de próxima generación para albergar espines cuánticos fascinantes debido a su versatilidad química y su largo tiempo de coherencia de espín. Sin embargo, la creación de múltiples espines altamente entrelazados Los espines en tales sistemas son una tarea desalentadora pero esencial para construir redes cuánticas complejas y escalables".
El logro es el resultado de una estrecha colaboración entre químicos sintéticos, científicos de materiales y físicos, incluidos los contribuyentes clave, el profesor Pavel Jelinek y el Dr. Libor Vei, de la Academia Checa de Ciencias en Praga.
Las propiedades magnéticas del nanografeno generalmente se derivan de la disposición de sus electrones especiales, conocidos como electrones π, o de la fuerza de sus interacciones. Sin embargo, es difícil hacer que estas propiedades funcionen juntas para crear múltiples giros correlacionados. El nanografeno también exhibe predominantemente un orden magnético singular, donde los espines se alinean en la misma dirección (ferromagnético) o en direcciones opuestas (antiferromagnético).
Los investigadores desarrollaron un método para superar estos desafíos. Su nanografeno en forma de mariposa, con propiedades ferromagnéticas y antiferromagnéticas, se forma combinando cuatro triángulos más pequeños en un rombo en el centro. El nanografeno mide aproximadamente 3 nanómetros de tamaño.
Para producir el nanografeno "mariposa", los investigadores diseñaron inicialmente una molécula precursora especial mediante química convencional en solución. Este precursor se utilizó luego para la posterior síntesis en superficie, un nuevo tipo de reacción química en fase sólida realizada en un ambiente de vacío. Este enfoque permitió a los investigadores controlar con precisión la forma y estructura del nanografeno a nivel atómico.
Un aspecto intrigante del nanografeno "mariposa" son sus cuatro electrones π desapareados, con espines principalmente deslocalizados en las regiones de las "alas" y entrelazados entre sí. Utilizando un microscopio de sonda de barrido ultrafrío con una punta de níqueloceno como sensor de espín a escala atómica, los investigadores midieron el magnetismo de los nanografenos en forma de mariposa. Además, esta nueva técnica ayuda a los científicos a dirigir los espines entrelazados de las sondas para comprender cómo funciona el magnetismo del nanografeno a escala atómica.
El avance no solo aborda los desafíos existentes, sino que abre nuevas posibilidades para controlar con precisión las propiedades magnéticas a la escala más pequeña, lo que conduce a avances interesantes en la investigación de materiales cuánticos.
"Los conocimientos adquiridos en este estudio allanan el camino para la creación de materiales cuánticos orgánicos de nueva generación con arquitecturas de espín cuántico de diseño. De cara al futuro, nuestro objetivo es medir la dinámica del espín y el tiempo de coherencia a nivel de una sola molécula y manipular estos espines entrelazados de forma coherente. "Esto representa un paso importante hacia la consecución de capacidades de procesamiento y almacenamiento de información más potentes", afirmó el profesor asociado Lu.
Más información: Shaotang Song et al, Nanografeno poliradical altamente entrelazado con una fuerte correlación coexistente y una frustración topológica, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01453-9
Información de la revista: Química de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
