Il team era guidato dal professore associato Lu Jiong del Dipartimento di Chimica e Istituto per i Materiali Funzionali Intelligenti della NUS, insieme al professor Wu Jishan, anch'egli del Dipartimento di Chimica della NUS, e da collaboratori internazionali. La ricerca è stata pubblicata su Nature Chemistry .

Il nanografene magnetico, una minuscola struttura composta da molecole di grafene, mostra notevoli proprietà magnetiche grazie al comportamento di elettroni specifici negli orbitali π degli atomi di carbonio. Progettando con precisione la disposizione di questi atomi di carbonio su scala nanometrica, è possibile ottenere il controllo sul comportamento di questi elettroni unici. Ciò rende il nanografene molto promettente per la creazione di magneti estremamente piccoli e per la fabbricazione degli elementi costitutivi fondamentali necessari per i computer quantistici, chiamati bit quantistici o qubit.

La struttura unica del grafene magnetico a forma di farfalla sviluppata dai ricercatori ha quattro triangoli arrotondati che ricordano le ali di una farfalla, con ciascuna di queste ali che contiene un elettrone π spaiato responsabile delle proprietà magnetiche osservate. La struttura è stata ottenuta attraverso una progettazione atomica precisa della rete di elettroni π nel grafene nanostrutturato.

Il Prof. Assoc Lu ha dichiarato:"Il nanografene magnetico, una minuscola molecola composta da anelli di benzene fusi, è molto promettente come materiale quantistico di prossima generazione per ospitare affascinanti spin quantistici grazie alla sua versatilità chimica e al lungo tempo di coerenza di spin. Tuttavia, creando molteplici fenomeni altamente entangled ruotare in tali sistemi è un compito arduo ma essenziale per costruire reti quantistiche scalabili e complesse."

Il risultato è il risultato di una stretta collaborazione tra chimici sintetici, scienziati dei materiali e fisici, tra cui i principali contributori, il professor Pavel Jelinek e il dottor Libor Vei, dell'Accademia ceca delle scienze di Praga.

Un nanografene magnetico di nuova generazione con spin altamente intrecciati

Le proprietà magnetiche del nanografene derivano solitamente dalla disposizione dei suoi elettroni speciali, noti come elettroni π, o dalla forza delle loro interazioni. Tuttavia, è difficile far funzionare queste proprietà insieme per creare più giri correlati. Il nanografene mostra inoltre prevalentemente un ordine magnetico singolare, in cui gli spin si allineano nella stessa direzione (ferromagnetico) o in direzioni opposte (antiferromagnetico).

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per superare queste sfide. Il loro nanografene a forma di farfalla, con proprietà sia ferromagnetiche che antiferromagnetiche, è formato combinando quattro triangoli più piccoli in un rombo al centro. Il nanografene misura circa 3 nanometri.

Per produrre il nanografene “a farfalla”, i ricercatori hanno inizialmente progettato uno speciale precursore di molecole tramite la chimica convenzionale in soluzione. Questo precursore è stato poi utilizzato per la successiva sintesi in superficie, un nuovo tipo di reazione chimica in fase solida eseguita in un ambiente sotto vuoto. Questo approccio ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione la forma e la struttura del nanografene a livello atomico.

Un aspetto intrigante del nanografene "a farfalla" sono i suoi quattro elettroni π spaiati, con spin principalmente delocalizzati nelle regioni delle "ali" e intrecciati insieme. Utilizzando un microscopio a sonda a scansione ultrafredda con una punta di nichelocene come sensore di spin su scala atomica, i ricercatori hanno misurato il magnetismo dei nanografeni della farfalla. Inoltre, questa nuova tecnica aiuta gli scienziati a dirigere gli spin entangled delle sonde per capire come funziona il magnetismo del nanografene su scala atomica.

La svolta non solo affronta le sfide esistenti, ma apre nuove possibilità per controllare con precisione le proprietà magnetiche su scala più piccola, portando a entusiasmanti progressi nella ricerca sui materiali quantistici.

"Le conoscenze acquisite da questo studio aprono la strada alla creazione di materiali quantistici organici di nuova generazione con architetture di spin quantistico progettate. Guardando al futuro, il nostro obiettivo è misurare la dinamica dello spin e il tempo di coerenza a livello di singola molecola e manipolare questi spin intrecciati in modo coerente . Ciò rappresenta un passo avanti significativo verso il raggiungimento di capacità di elaborazione e archiviazione delle informazioni più potenti", ha affermato il prof. Assoc Lu.