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Pesquisadores da NUS criaram um nanografeno magnético em forma de borboleta, avançando as tecnologias de informação quântica com seus spins correlacionados exclusivos. Esta descoberta oferece potencial para qubits de próxima geração com tempos de coerência aprimorados. Crédito: National University of Singapore
Pesquisadores da NUS criaram um novo nanógrafo magnético em forma de borboleta que pode melhorar Computação quântica permitindo um melhor controle dos spins dos elétrons e estendendo os tempos de coerência dos bits quânticos.
Pesquisadores da National University of Singapore (NUS) revelaram um conceito de design inovador para materiais quânticos baseados em carbono de próxima geração. Eles criaram um pequeno nanographene magnético em forma de borboleta que hospeda spins altamente correlacionados, mostrando potencial significativo para avanços em tecnologias de informação quântica.
Nanografeno magnético, uma pequena estrutura feita de grafeno moléculas, exibe propriedades magnéticas notáveis devido ao comportamento de elétrons específicos nos orbitais π dos átomos de carbono. Ao contrário dos materiais magnéticos convencionais produzidos usando metais pesados, onde os diferentes tipos de elétrons dos orbitais d ou f estão envolvidos, os elétrons π do carbono desempenham um papel único. Ao projetar precisamente o arranjo desses átomos de carbono no nanoescalao controle sobre o comportamento desses elétrons únicos pode ser alcançado.
Isso torna o nanografeno altamente promissor para criar ímãs extremamente pequenos e para fabricar os componentes básicos, conhecidos como bits quânticos ou qubits, essenciais para o desenvolvimento de computadores quânticos. Qubits de alta qualidade precisam manter seu estado quântico por uma duração estendida conhecida como tempo de coerência enquanto operam rapidamente. Materiais à base de carbono são conhecidos por estender os tempos de coerência de qubits de spin, devido às suas duas propriedades únicas: spin-órbita fraco e acoplamentos hiperfinos que efetivamente previnem a decoerência de spins de elétrons.
Figura ilustrando uma impressão visual da “borboleta” magnética hospedando quatro spins emaranhados em “asas” (esquerda) e sua imagem correspondente em escala atômica obtida usando microscopia de sonda de varredura (direita). Crédito: National University of Singapore
A equipe de pesquisadores liderada pelo Professor Associado LU Jiong do Departamento de Química da NUS e Instituto de Materiais Inteligentes Funcionais, juntamente com o Professor Jishan WU também do Departamento de Química da NUS, e colaboradores internacionais, desenvolveram um método para projetar e criar um grande nanografeno magnético totalmente fundido em forma de borboleta. Esta estrutura única tem quatro triângulos arredondados que lembram asas de borboleta, com cada uma dessas asas segurando um elétron π desemparelhado responsável pelas propriedades magnéticas observadas. Esta realização é atribuída ao design atômico preciso da rede de elétrons π no grafeno nanoestruturado.
O Prof. Associado Lu disse: “O nanografeno magnético, uma molécula minúscula composta de anéis de benzeno fundidos, é uma promessa significativa como um material quântico de próxima geração para hospedar spins quânticos fascinantes devido à sua versatilidade química e longo tempo de coerência de spin. No entanto, criar múltiplos spins altamente emaranhados em tais sistemas é uma tarefa assustadora, mas essencial para construir redes quânticas escaláveis e complexas.”
Essa conquista significativa decorre de uma estreita colaboração entre químicos sintéticos, cientistas de materiais e físicos, incluindo os principais colaboradores Professor Pavel Jelinek e Dr. Libor Vei, ambos da Academia Tcheca de Ciências em Praga.
O avanço da pesquisa foi publicado recentemente na revista científica Química da Natureza.
Um nanógrafo magnético de nova 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 essas propriedades trabalharem juntas para criar múltiplos spins correlacionados. Além disso, o nanografeno exibe predominantemente uma ordem magnética singular, onde os spins se alinham na mesma direção (ferromagnético) ou em direções opostas (antiferromagnético).
Os pesquisadores da NUS Assoc Prof Lu Jiong (esquerda), Prof Wu Jishan (direita) e Dr Song Shaotang (meio) faziam parte da equipe de pesquisa multidisciplinar que desenvolveu o nanographene magnético em forma de borboleta que poderia ser usado para tecnologias quânticas. Crédito: National University of Singapore
Os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de nanografeno magnético para superar esses desafios. Eles criaram um nanografeno, com propriedades ferromagnéticas e antiferromagnéticas, que tem um formato de borboleta, feito pela combinação de quatro triângulos menores em um losango no centro, medindo aproximadamente 3 nanômetros de tamanho.
Para produzir esse nanografeno de borboleta, os pesquisadores inicialmente projetaram um precursor de molécula especial por meio de química convencional em solução. Esse precursor foi então usado para a síntese subsequente na superfície, um novo tipo de reação química em fase sólida realizada em um ambiente de vácuo. Essa abordagem permitiu que os pesquisadores controlassem precisamente a forma e a estrutura do nanografeno no nível atômico.
Um aspecto intrigante deste nanografeno de borboleta é que ele tem quatro elétrons π desemparelhados, com spins principalmente deslocalizados nas regiões de “asa” e emaranhados juntos. Usando um microscópio de sonda de varredura ultrafria com uma ponta de níqueloceno como um sensor de spin em escala atômica, os pesquisadores mediram o magnetismo exótico dos nanografenos de borboleta. Além disso, esta nova técnica ajuda os cientistas a sondar diretamente os spins emaranhados para entender como o magnetismo do nanografeno funciona na escala atômica. Este avanço não apenas aborda os desafios existentes, mas também abre novas possibilidades para controlar precisamente as propriedades magnéticas na menor escala, levando a avanços emocionantes na pesquisa de materiais quânticos.
“Os insights obtidos com este estudo pavimentam o 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. Isso representa um passo significativo para alcançar capacidades de processamento e armazenamento de informações mais poderosas”, acrescentou o Prof. Associado Lu.
Referência: “Nanographene polirradical altamente emaranhado com forte correlação coexistente e frustração topológica” por Shaotang Song, Andrés Pinar Solé, Adam Matěj, Guangwu Li, Oleksandr Stetsovych, Diego Soler, Huimin Yang, Mykola Telychko, Jing Li, Manish Kumar, Qifan Chen, Shayan Edalatmanesh, Jiri Brabec, Libor Veis, Jishan Wu, Pavel Jelinek e Jiong Lu, 19 de fevereiro de 2024, Química da Natureza.
DOI: 10.1038/s41557-024-01453-9