Přesýpací nanografeny odemykají silné kvantové provázání: Nová éra pro spintroniku a kvantové počítače

Vědci z Národní univerzity v Singapuru (NUS) a jejich spolupracovníci vyvinuli prediktivní strategii pro návrh molekul podobných grafenu, které obsahují více vzájemně interagujících spinů a vykazují zvýšenou odolnost vůči magnetickým poruchám.

Vědci z Národní univerzity v Singapuru (NUS) a jejich spolupracovníci vyvinuli prediktivní strategii pro návrh molekul podobných grafenu, které obsahují více vzájemně interagujících spinů a vykazují zvýšenou odolnost vůči magnetickým poruchám. Tento průlom otevírá nové možnosti pro kvantové informační technologie na molekulární úrovni a pro spintroniku nové generace.

Magnetické nanografeny, molekuly složené ze spojených benzenových kruhů, jsou stále více zajímavé pro kvantové technologie, protože mohou hostit nepárové elektrony neboli spiny, které lze využít k ukládání a zpracování informací. Na rozdíl od konvenčních magnetických materiálů založených na atomech kovů nabízejí tyto uhlíkové systémy chemickou všestrannost a dlouhé doby koherence spinů. Vytvoření jediné molekuly, která obsahuje více silně vázaných spinů stabilním a kontrolovaným způsobem, však dosud představovalo velkou výzvu.

Tým výzkumníků navázal na známou molekulární strukturu nazvanou „Clarův pohár“ a syntetizoval dva rozšířené nanografeny, C62H22 a C76H26, s atomovou přesností pomocí chemie na povrchu. Jejich struktury a vlastnosti byly charakterizovány skenovací mikroskopií. Změnou molekulárního tvaru dvěma různými způsoby – laterálním a vertikálním rozšířením – byli vědci schopni nezávisle kontrolovat jak interakce elektron-elektron, tak počet nulových energetických módů.

Obě molekuly hostí čtyři nepárové spiny, které však vznikají odlišnými mechanismy. V jedné molekule jsou spiny zcela řízeny geometrií uhlíkového skeletu. V druhé jsou výsledkem kombinace geometrických efektů a zesílených interakcí mezi elektrony. Tato zjištění nabízejí bezprecedentní kontrolu nad magnetickými vlastnostmi molekulárních materiálů, což otevírá nové možnosti pro molekulární qubity a kvantové simulátory založené na uhlíkových platformách.

Výzkumný tým také porovnal magnetickou odolnost obou tetraradikálových molekul pomocí měření skenovací mikroskopie s magnetickým senzorem. Ačkoli obě molekuly obsahují čtyři silně korelované spiny, chovaly se odlišně pod vlivem vnějších magnetických poruch. Jedna molekula prokázala mnohem silnější odolnost, což znamená, že její kvantový stav bylo obtížnější narušit během měření. Tato robustnost je obzvláště důležitá pro aplikace, jako jsou molekulární qubity, kde je zachování křehkých kvantových stavů zásadní. V budoucnu se vědci zaměří na zkoumání dynamiky spinů a dob koherence na úrovni jednotlivých molekul a na dosažení koherentní kontroly těchto provázaných spinů, což představuje důležitý krok k vývoji molekulárních qubitů a spintronických nanodevic.