חוקרי NUS יצרו ננוגרפן מגנטי בצורת פרפר, תוך קידמה של טכנולוגיות מידע קוונטי עם הספינים הייחודיים שלו בקורלציה. תגלית זו מציעה פוטנציאל לקיוביטים מהדור הבא עם זמני קוהרנטיות משופרים. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
חוקרי NUS יצרו ננוגרפן מגנטי חדש בצורת פרפר שיכול להשתפר מחשוב קוונטי על ידי מתן שליטה טובה יותר בספינים של אלקטרונים והארכת זמני הקוהרנטיות של סיביות קוונטיות.
חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) חשפו קונספט עיצובי פורץ דרך לחומרים קוונטיים מהדור הבא המבוססים על פחמן. הם יצרו ננוגרפן מגנטי זעיר בצורת פרפר המארח ספינים בקורלציה גבוהה, המציג פוטנציאל משמעותי להתקדמות בטכנולוגיות מידע קוונטי.
ננוגרפן מגנטי, מבנה זעיר עשוי גרפן מולקולות, מפגין תכונות מגנטיות יוצאות דופן עקב התנהגותם של אלקטרונים ספציפיים באורביטלים π של אטומי הפחמן. בניגוד לחומרים מגנטיים קונבנציונליים המיוצרים באמצעות מתכות כבדות, שבהם מעורבים סוגי האלקטרונים השונים מאורביטלים d- או f, האלקטרונים π של הפחמן ממלאים תפקיד ייחודי. על ידי תכנון מדויק של סידור אטומי הפחמן הללו ב- ננומטריניתן להשיג שליטה על התנהגות האלקטרונים הייחודיים הללו.
זה הופך את הננוגרפן למבטיח ביותר ליצירת מגנטים קטנים במיוחד ולייצור הרכיבים הבסיסיים, הידועים כסיביות קוונטיות או קיוביטים, החיוניים לפיתוח מחשבים קוונטיים. קיוביטים איכותיים צריכים לשמור על מצבם הקוונטי למשך זמן ממושך המכונה זמן קוהרנטיות תוך כדי פעולה מהירה. ידוע כי חומרים מבוססי פחמן מאריכים את זמני הקוהרנטיות של ספין קיוביטים, בשל שתי תכונותיהם הייחודיות: ספין-מסלול חלש וצימודים היפר-דקים המונעים למעשה דה-קוהרנטיות של ספינים אלקטרונים.
איור הממחיש רושם חזותי של "הפרפר" המגנטי המארח ארבעה סיבובים סבוכים על "כנפיים" (משמאל) והתמונה המתאימה לו בקנה מידה אטומי שהתקבלה באמצעות מיקרוסקופ בדיקה סורק (מימין). קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
צוות החוקרים בראשות פרופסור-משנה LU Jiong מהמחלקה לכימיה של NUS והמכון לחומרים אינטליגנטיים פונקציונליים, יחד עם פרופסור Jishan WU גם מהמחלקה לכימיה של NUS, ומשתפי פעולה בינלאומיים, פיתחו שיטה לתכנון ויצירת חומר גדול ננוגרפן מגנטי בצורת פרפר מאוחה לחלוטין. למבנה הייחודי הזה יש ארבעה משולשים מעוגלים הדומים לכנפי פרפר, כאשר כל אחת מהכנפיים הללו מחזיקה באלקטרון π לא מזווג שאחראי לתכונות המגנטיות הנצפות. הישג זה מיוחס לתכנון המדויק האטומי של רשת האלקטרונים π בגרפן הננו-מבנה.
Assoc פרופ' Lu אמר, "ננוגרפן מגנטי, מולקולה זעירה המורכבת מטבעות בנזן מתמזגות, טומנת בחובה הבטחה משמעותית כחומר קוונטי של הדור הבא לאירוח ספינים קוונטיים מרתקים בשל הגמישות הכימית וזמן קוהרנטיות הספין הארוך שלו. עם זאת, יצירת ספינים מרובים מאוד מסובכים במערכות כאלה היא משימה מרתיעה אך חיונית לבניית רשתות קוונטיות ניתנות להרחבה ומורכבות."
הישג משמעותי זה נובע משיתוף פעולה הדוק בין כימאים סינתטיים, מדעני חומרים ופיזיקאים, כולל תורמים מרכזיים פרופסור פאבל ילינק וד"ר ליבור ויי, שניהם מהאקדמיה הצ'כית למדעים בפראג.
פריצת הדרך המחקרית פורסמה לאחרונה בכתב העת המדעי כימיה של הטבע.
ננוגרפן מגנטי מהדור החדש עם ספינים מאוד מסובכים
התכונות המגנטיות של הננוגרפן נגזרות בדרך כלל מסידור האלקטרונים המיוחדים שלו, הידועים כ-π-אלקטרונים, או מעוצמת האינטראקציות ביניהם. עם זאת, קשה לגרום למאפיינים אלה לעבוד יחד כדי ליצור ספינים מרובים בקורלציה. כמו כן, ננוגרפן מציג בעיקר סדר מגנטי יחיד, שבו ספינים מתיישרים באותו כיוון (פרומגנטי) או בכיוונים מנוגדים (אנטי-פרומגנטיים).
חוקרי NUS Assoc פרופ' לו ג'יונג (משמאל), פרופ' וו ג'ישאן (מימין) וד"ר סונג שאוטנג (באמצע) היו חלק מצוות המחקר הרב-תחומי שפיתח את הננוגרפן המגנטי בצורת פרפר שיכול לשמש לטכנולוגיות קוונטיות. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
החוקרים פיתחו סוג חדש של ננוגרפן מגנטי כדי להתגבר על האתגרים הללו. הם יצרו ננוגרפן, בעל תכונות פרומגנטיות ואנטי-פרומגנטיות כאחד, בעל צורת פרפר, שנוצר על ידי שילוב של ארבעה משולשים קטנים יותר למעוין במרכז, בגודל של כ-3 ננומטר.
כדי לייצר ננוגרפן פרפר זה, החוקרים תכננו תחילה מבשר למולקולה מיוחדת באמצעות כימיה קונבנציונלית בתמיסה. מבשר זה שימש לאחר מכן לסינתזה על פני השטח שלאחר מכן, סוג חדש של תגובה כימית בשלב מוצק המבוצע בסביבת ואקום. גישה זו אפשרה לחוקרים לשלוט במדויק על הצורה והמבנה של הננוגרפן ברמה האטומית.
היבט מסקרן של ננוגרפן הפרפר הזה הוא שיש לו ארבעה π-אלקטרונים לא מזווגים, עם ספינים שמקורם בעיקר באזורי ה"כנפיים" ומסתבכים יחד. באמצעות מיקרוסקופ סריקה קרה במיוחד עם קצה ניקלוקן כחיישן ספין בקנה מידה אטומי, החוקרים מדדו את המגנטיות האקזוטית של הננוגרפנים של הפרפר. בנוסף, הטכניקה החדשה הזו עוזרת למדענים לחקור ישירות ספינים סבוכים כדי להבין כיצד המגנטיות של הננוגרפן פועלת בקנה מידה אטומי. פריצת דרך זו לא רק מתמודדת עם אתגרים קיימים אלא גם פותחת אפשרויות חדשות לשליטה מדויקת בתכונות המגנטיות בקנה מידה הקטן ביותר, מה שמוביל להתקדמות מלהיבה במחקר חומרים קוונטיים.
"התובנות שהושגו ממחקר זה סוללות את הדרך ליצירת חומרים קוונטיים אורגניים מהדור החדש עם ארכיטקטורות ספין קוונטיות של מעצבים. במבט קדימה, המטרה שלנו היא למדוד את דינמיקת הספין וזמן הקוהרנטיות ברמת מולקולה בודדת ולתפעל את הספינים הסבוכים הללו באופן קוהרנטי. זה מייצג צעד משמעותי לקראת השגת יכולות עיבוד ואחסון מידע חזקות יותר", הוסיף Assoc פרופ' לו.
