Uma borboleta de nanografeno magnético preparada para avançar nas tecnologias quânticas

Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveram um novo conceito de design para a criação de materiais quânticos baseados em carbono de próxima geração, na forma de um minúsculo nanografeno magnético com um formato de borboleta exclusivo que hospeda spins altamente correlacionados. Este novo design tem o potencial de acelerar o avanço dos materiais quânticos, que são fundamentais para o desenvolvimento de tecnologias sofisticadas de computação quântica, preparadas para revolucionar o processamento de informações e as capacidades de armazenamento de alta densidade.

A equipe foi liderada pelo Professor Associado Lu Jiong do Departamento de Química da NUS e Instituto de Materiais Inteligentes Funcionais, juntamente com o Professor Wu Jishan, que também é do Departamento de Química da NUS, e colaboradores internacionais. A pesquisa foi publicada emQuímica da Natureza.

O nanografeno magnético, uma pequena estrutura feita de moléculas de grafeno, exibe propriedades magnéticas notáveis ​​devido ao comportamento de elétrons específicos nos orbitais π dos átomos de carbono. Ao projetar com precisão o arranjo desses átomos de carbono em nanoescala, o controle sobre o comportamento desses elétrons únicos pode ser alcançado. Isso torna o nanografeno altamente promissor para a criação de ímãs extremamente pequenos e para a fabricação de blocos de construção fundamentais necessários para computadores quânticos, chamados bits quânticos ou qubits.

A estrutura única do grafeno magnético em forma de borboleta desenvolvida pelos pesquisadores tem quatro triângulos arredondados que lembram asas de borboleta, com cada uma dessas asas contendo um elétron π desemparelhado responsável pelas propriedades magnéticas observadas. A estrutura foi alcançada através de um projeto atômico-preciso da rede de elétrons π no grafeno nanoestruturado.

Assoc Prof Lu disse: “O nanografeno magnético, uma pequena molécula composta de anéis de benzeno fundidos, é uma promessa significativa como um material quântico de próxima geração para hospedar giros quânticos fascinantes devido à sua versatilidade química e longo tempo de coerência de spin. No entanto, criando múltiplos altamente emaranhados spins em tais sistemas é uma tarefa assustadora, mas essencial para a construção de redes quânticas complexas e escalonáveis.”

A conquista é resultado de uma estreita colaboração entre químicos sintéticos, cientistas de materiais e físicos, incluindo os principais contribuidores, Professor Pavel Jelinek e Dr. Libor Vei, da Academia Tcheca de Ciências de Praga.

Um nanografeno magnético de próxima geração com spins altamente emaranhados

As propriedades magnéticas do nanografeno são geralmente derivadas do arranjo de seus elétrons especiais, conhecidos como elétrons π, ou da força de suas interações. No entanto, é difícil fazer com que essas propriedades funcionem juntas para criar múltiplos spins correlacionados. O nanografeno também exibe predominantemente uma ordem magnética singular, onde os spins se alinham na mesma direção (ferromagnético) ou em direções opostas (antiferromagnético).

Os pesquisadores desenvolveram um método para superar esses desafios. Seu nanografeno em forma de borboleta, com propriedades ferromagnéticas e antiferromagnéticas, é formado pela combinação de quatro triângulos menores em um losango no centro. O nanografeno mede aproximadamente 3 nanômetros de tamanho.

Para produzir o nanografeno “borboleta”, os pesquisadores inicialmente projetaram um precursor de molécula especial por meio da química convencional em solução. Este precursor foi então utilizado para a subsequente síntese na superfície, um novo tipo de reação química em fase sólida realizada em ambiente de vácuo. Esta abordagem permitiu aos pesquisadores controlar com precisão a forma e a estrutura do nanografeno em nível atômico.

Um aspecto intrigante do nanografeno “borboleta” são seus quatro elétrons π desemparelhados, com spins principalmente deslocalizados nas regiões da “asa” e emaranhados. Usando um microscópio de sonda de varredura ultrafrio com ponta de níqueloceno como sensor de rotação em escala atômica, os pesquisadores mediram o magnetismo dos nanógrafos de borboleta. Além disso, esta nova técnica ajuda os cientistas a direcionar os spins emaranhados da sonda para entender como o magnetismo do nanografeno funciona em escala atômica.

A descoberta não apenas aborda os desafios existentes, mas abre novas possibilidades para controlar com precisão as propriedades magnéticas na menor escala, levando a avanços emocionantes na pesquisa de materiais quânticos.

“Os insights obtidos com este estudo abrem caminho para a criação de materiais quânticos orgânicos de nova geração com arquiteturas de spin quântico projetadas. Olhando para o futuro, nosso objetivo é medir a dinâmica do spin e o tempo de coerência no nível de molécula única e manipular esses spins emaranhados de forma coerente Isto representa um avanço significativo no sentido de alcançar capacidades mais poderosas de processamento e armazenamento de informações”, disse Assoc Prof Lu.