Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) lograron recientemente un gran avance en el desarrollo de materiales cuánticos basados en carbono de próxima generación, abriendo nuevos horizontes para los avances en la electrónica cuántica.
La innovación implica un nuevo tipo de nanocinta de grafeno (GNR), denominada Janus GNR (JGNR). El material tiene un borde en zigzag único, con un estado de borde ferromagnético especial ubicado en uno de los bordes. Este diseño único permite la realización de una cadena de espín ferromagnética unidimensional, que puede tener aplicaciones importantes en electrónica cuántica y computación cuántica.
La investigación fue dirigida por el profesor asociado Lu Jeong y su equipo del Departamento de Química de la NUS, con el apoyo de socios internacionales.
Las nanocintas de grafeno, que son tiras estrechas de estructuras de carbono en forma de panal a nanoescala, exhiben propiedades magnéticas notables debido al comportamiento de los electrones desapareados en los orbitales π de los átomos. Mediante la ingeniería atómicamente precisa de sus estructuras de borde en una configuración en zigzag, se puede crear un canal unidimensional polarizado por espín. Esta característica ofrece un enorme potencial para aplicaciones en dispositivos espintrónicos o como sistemas multiqubit de próxima generación que son los componentes básicos de la computación cuántica.
Jano, el antiguo dios romano de los comienzos y los finales, a menudo se representa con dos caras apuntando en direcciones opuestas, representando el pasado y el futuro. En la ciencia de los materiales, el término “Janos” se ha aplicado para describir materiales que tienen propiedades opuestamente diferentes. JGNR tiene una estructura novedosa en la que solo un borde de la cinta tiene forma de zigzag, lo que la convierte en la primera cadena de carbono ferromagnética unidimensional del mundo. Este diseño se logra mediante el uso de un prediseño en forma de z que introduce una serie alterna de anillos de carbono hexagonales en uno de los bordes en zigzag, rompiendo la simetría estructural y rotacional de la cinta.
“Las nanocintas magnéticas de grafeno (tiras estrechas de grafeno formadas a partir de anillos de benceno fusionados) son prometedoras para las tecnologías cuánticas debido a sus largos tiempos de coherencia de espín y su capacidad para operar a temperatura ambiente”, dijo el profesor asociado Lu. qubit es una tarea desafiante pero necesaria para que las tecnologías cuánticas realicen el borde en zigzag Asamblea de abajo hacia arriba.”
El mayor avance es el resultado de una estrecha colaboración entre químicos sintéticos, científicos de materiales y físicos teóricos, incluido el profesor Steven G. Lowe de la UC Berkeley (EE.UU.), el profesor Hiroshi Sakaguchi de la Universidad de Kyoto (Japón) y otros autores contribuyentes.
Los avances de la investigación fueron publicados en una revista científica. la naturaleza El 9 de enero de 2025.
Generando nanocintas de grafeno
Para desarrollar JGNR, los investigadores diseñaron y sintetizaron inicialmente una serie de precursores moleculares especiales en forma de Z mediante química convencional en solución. Estos precursores se utilizaron posteriormente para la síntesis de superficies, un nuevo tipo de reacción química en fase sólida que se lleva a cabo en un entorno ultrapuro. Este enfoque permitió a los investigadores controlar con precisión la forma y estructura de las nanocintas de grafeno a nivel atómico.
El diseño en forma de Z permite una estructura asimétrica modificando de forma independiente una de las dos ramas, creando así un borde “defectuoso” deseado, mientras se mantiene el otro borde en zigzag sin cambios. Además, ajustar la longitud de la rama modificada permite modificar el ancho de los JGNR. La caracterización mediante microscopía/espectroscopia de sonda de barrido de última generación y la teoría funcional de la densidad de primeros principios confirma la fabricación exitosa de JGNR con un estado fundamental ferromagnético localizado exclusivamente a lo largo de un único borde en zigzag.
“El diseño racional y la síntesis de superficie de una nueva clase de JGNR representan un avance conceptual y experimental para lograr una cadena ferromagnética unidimensional. La creación de tales JGNR no solo abre la posibilidad de una ingeniería precisa de magnetismo cuántico exótico. Mejora y fortalece el ensamblaje de qubits de nueva generación. Además, es la fabricación de canales de transporte unidimensionales polarizados por espín con bandas prohibidas sintonizables. , que puede llevar la espintrónica basada en carbono al límite unidimensional”, añadió el profesor asociado Low.
