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Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado una idea de diseño novedosa para materiales cuánticos basados en carbono de próxima generación en forma de un pequeño nanógrafo magnético con una forma distintiva de mariposa que alberga espines altamente correlacionados.
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Este diseño innovador tiene el potencial de acelerar el crecimiento de los materiales cuánticos, que son fundamentales para el desarrollo de tecnologías avanzadas de computación cuántica que revolucionarán el procesamiento de información y las capacidades de almacenamiento de alta densidad.
El profesor asociado Lu Jiong del Departamento de Química y el Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales de la NUS dirigió el proyecto, en el que también participó el profesor Wu Jishan del Departamento de Química de la NUS y colaboradores internacionales.
El nanografeno magnético, una nanoestructura hecha de moléculas de grafeno, tiene capacidades magnéticas excepcionales debido al comportamiento de ciertos electrones en los orbitales π de los átomos de carbono. Estos electrones únicos pueden controlarse mediante la disposición precisa de estos átomos de carbono a nanoescala.
Esto hace que los nanógrafos sean particularmente prometedores para fabricar imanes increíblemente pequeños y los componentes básicos de las computadoras cuánticas, llamados bits cuánticos o qubits.
El grafeno magnético con forma de mariposa de los investigadores presenta cuatro triángulos redondeados que se asemejan a alas de mariposa. Cada ala tiene un electrón π desapareado, que es responsable de las propiedades magnéticas descubiertas. La estructura se creó mediante un diseño atómicamente preciso de la red de electrones π en grafeno nanoestructurado.
El nanografeno magnético, una diminuta molécula formada por anillos de benceno fusionados, es prometedor como material cuántico de próxima generación para registrar fascinantes espines cuánticos debido a su versatilidad química y su largo tiempo de coherencia de espín. Sin embargo, generar múltiples espines altamente entrelazados en tales sistemas es una tarea desalentadora pero esencial para construir redes cuánticas complejas y escalables.
Lu Jiong, profesor asociado, Departamento de Química, Universidad Nacional de Singapur
Este notable avance 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 de Praga.
El 19 de febreroTh2024, quimica natural publicó este estudio innovador.
Un nanógrafo magnético de nueva generación con espines altamente entrelazados
Las propiedades magnéticas del nanografeno a menudo están determinadas por la configuración de sus electrones únicos, llamados electrones π, o la fuerza de sus interacciones. Sin embargo, es difícil combinar estas características para generar numerosos giros relacionados. El nanografeno también tiene un orden magnético único, con espines que se alinean en la misma dirección (ferromagnético) o en direcciones opuestas (antiferromagnético).
Los investigadores desarrollaron una estrategia para sortear estos obstáculos. Su nanografeno en forma de mariposa, que tiene propiedades ferromagnéticas y antiferromagnéticas, se crea fusionando cuatro triángulos más pequeños para formar un diamante en el medio. El nanografeno tiene un tamaño de unos 3 nanómetros.
Para crear el nanógrafo «mariposa», los investigadores primero crearon un precursor molecular único utilizando la química tradicional en solución. Este precursor se utilizó luego para la síntesis en superficie, un nuevo tipo de reacción química en fase sólida que se lleva a cabo en un entorno de vacío. Este método permitió a los investigadores manipular con precisión la forma y estructura de los nanógrafos a nivel atómico.
El nanógrafo «mariposa» tiene cuatro electrones π desapareados cuyos espines están deslocalizados y entrelazados en las regiones del «ala». Los investigadores utilizaron un microscopio de sonda de barrido ultrafrío con punta de níqueloceno como sensor de giro a escala atómica para probar el magnetismo de los nanografenos de mariposa.
Esta novedosa tecnología también permite a los científicos estudiar directamente los espines entrelazados para comprender mejor cómo funciona el magnetismo del nanografeno a nivel atómico. La innovación no sólo elimina los obstáculos actuales, sino que también ofrece nuevas oportunidades para manipular con precisión las propiedades magnéticas a la escala más pequeña, lo que conducirá a avances prometedores en la investigación de materiales cuánticos.
Lu añadió: “Los conocimientos adquiridos en este estudio allanaron el camino para el desarrollo de materiales cuánticos orgánicos de nueva generación con arquitecturas de espín cuántico de diseño. De cara al futuro, nuestro objetivo es medir la dinámica de espín y el tiempo de coherencia a nivel de una sola molécula y manipular coherentemente estos espines entrelazados. Esto representa un paso significativo hacia capacidades de procesamiento y almacenamiento de información más potentes.«
Referencia de la revista:
Canciones., et al. (2024) Nanografeno polirradical altamente entrelazado que coexiste con una fuerte correlación y frustración topológica. quimica natural. doi:10.1038/s41557-024-01453-9
Fuente: https://nus.edu.sg/
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