Janus grafeen nanolinten klaar om kwantumtechnologieën vooruit te helpen

Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben onlangs een belangrijke doorbraak bereikt in de ontwikkeling van de volgende generatie op koolstof gebaseerde kwantummaterialen, waardoor nieuwe horizonten worden geopend voor vooruitgang in de kwantumelektronica.

De innovatie omvat een nieuw type grafeen nanolint (GNR), genaamd Janus GNR (JGNR). Het materiaal heeft een unieke zigzagrand, waarbij aan één van de randen een speciale ferromagnetische randtoestand is aangebracht. Dit unieke ontwerp maakt de realisatie mogelijk van een eendimensionale ferromagnetische spinketen, die belangrijke toepassingen zou kunnen hebben in de kwantumelektronica en kwantumcomputers.

Het onderzoek werd geleid door universitair hoofddocent Lu Jiong en zijn team van het NUS-departement Scheikunde, in samenwerking met internationale partners, en is gepubliceerd in Natuur.

Grafeen-nanolinten, smalle stroken honingraatkoolstofstructuren op nanoschaal, vertonen opmerkelijke magnetische eigenschappen als gevolg van het gedrag van ongepaarde elektronen in de π-orbitalen van de atomen. Door atomair nauwkeurige engineering van hun randstructuren in een zigzagopstelling kan een eendimensionaal spin-gepolariseerd kanaal worden geconstrueerd.

Deze functie biedt een enorm potentieel voor toepassingen in spintronische apparaten of als multi-qubit-systemen van de volgende generatie, de fundamentele bouwstenen van quantum computing.

Janus, de oude Romeinse god van begin en einde, wordt vaak afgebeeld met twee gezichten die in tegengestelde richtingen wijzen en het verleden en de toekomst vertegenwoordigen. De term “Janus” wordt in de materiaalkunde toegepast om materialen te beschrijven die aan weerszijden verschillende eigenschappen hebben. JGNR heeft een nieuwe structuur waarbij slechts één rand van het lint een zigzagvorm heeft, waardoor het ’s werelds eerste eendimensionale ferromagnetische koolstofketen is.

Dit ontwerp wordt bereikt door gebruik te maken van een Z-vormig voorloperontwerp dat een periodieke reeks zeshoekige koolstofringen op een van de zigzagranden introduceert, waardoor de structurele en spinsymmetrie van het lint wordt verbroken.

Assoc. Professor Lu zei: “Magnetische grafeen nanolinten – smalle stroken grafeen gevormd door gefuseerde benzeenringen – bieden een enorm potentieel voor kwantumtechnologieën vanwege hun lange spin-coherentietijden en het potentieel om bij kamertemperatuur te werken. Het creëren van een eendimensionale enkele zigzagrand in Dergelijke systemen zijn een lastige maar essentiële taak voor het realiseren van de bottom-up assemblage van meerdere spinqubits voor kwantumtechnologieën.”

Deze belangrijke prestatie is het resultaat van nauwe samenwerking tussen synthetisch chemici, materiaalwetenschappers en theoretisch natuurkundigen, waaronder professor Steven G Louie van UC Berkeley in de Verenigde Staten, professor Hiroshi Sakaguchi van de Universiteit van Kyoto in Japan en andere bijdragende auteurs.

Het creëren van de Janus grafeen nanolinten

Om de JGNR te produceren, ontwierpen en synthetiseerden de onderzoekers aanvankelijk een reeks speciale “Z-vormige” moleculaire voorlopers via conventionele chemie in oplossing. Deze voorlopers werden vervolgens gebruikt voor daaropvolgende synthese op het oppervlak, een nieuw type chemische reactie in de vaste fase die wordt uitgevoerd in een ultraschone omgeving. Dankzij deze aanpak konden de onderzoekers de vorm en structuur van de grafeen-nanolinten op atomair niveau nauwkeurig controleren.

Het Z-vormige ontwerp maakt de asymmetrische fabricage mogelijk door een van de twee takken onafhankelijk aan te passen, waardoor een gewenste “defecte” rand ontstaat, terwijl de andere zigzagrand ongewijzigd blijft. Bovendien maakt het aanpassen van de lengte van de gewijzigde tak de modulatie van de breedte van de JGNR’s mogelijk.

Karakterisering via de modernste scanning-sondemicroscopie/spectroscopie en de functionele dichtheidstheorie van de eerste principes bevestigt de succesvolle fabricage van JGNR’s met een ferromagnetische grondtoestand die uitsluitend langs de enkele zigzagrand is gelokaliseerd.

“Het rationele ontwerp en de synthese aan het oppervlak van een nieuwe klasse JGNR vertegenwoordigen een conceptuele en experimentele doorbraak voor het realiseren van eendimensionale ferromagnetische keten. Het creëren van dergelijke JGNR’s vergroot niet alleen de mogelijkheden voor nauwkeurige engineering van exotisch kwantummagnetisme en maakt de assemblage van robuuste spin-arrays als qubits van de nieuwe generatie.

“Bovendien maakt het de fabricage mogelijk van eendimensionale spin-gepolariseerde transportkanalen met afstembare bandafstanden, die op koolstof gebaseerde spintronica tot aan de eendimensionale limiet zouden kunnen bevorderen”, voegde Assoc eraan toe. Prof Lu.