Des chercheurs de la NUS ont créé un nanographène magnétique en forme de papillon, faisant progresser les technologies de l'information quantique grâce à ses spins corrélés uniques. Cette découverte offre un potentiel pour les qubits de nouvelle génération avec des temps de cohérence améliorés. Crédit : Université nationale de Singapour
Des chercheurs de la NUS ont créé un nouveau nanographène magnétique en forme de papillon qui pourrait améliorer l'informatique quantique en permettant un meilleur contrôle des spins des électrons et en prolongeant les temps de cohérence des bits quantiques.
Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont dévoilé un concept révolutionnaire pour les matériaux quantiques à base de carbone de nouvelle génération. Ils ont créé un nanographène magnétique minuscule en forme de papillon qui héberge des spins hautement corrélés, ce qui montre un potentiel important pour les avancées dans les technologies de l'information quantique.
Nanographène magnétique, une minuscule structure composée de graphène Les molécules de carbone présentent des propriétés magnétiques remarquables en raison du comportement d'électrons spécifiques dans les orbitales π des atomes de carbone. Contrairement aux matériaux magnétiques conventionnels produits à partir de métaux lourds, où les différents types d'électrons des orbitales d ou f sont impliqués, les électrons π du carbone jouent un rôle unique. En concevant avec précision l'agencement de ces atomes de carbone au échelle nanométriqueun contrôle sur le comportement de ces électrons uniques peut être obtenu.
Le nanographène est donc très prometteur pour créer des aimants extrêmement petits et pour fabriquer les composants de base, appelés bits quantiques ou qubits, essentiels au développement des ordinateurs quantiques. Les qubits de haute qualité doivent conserver leur état quantique pendant une durée prolongée, appelée temps de cohérence, tout en fonctionnant rapidement. Les matériaux à base de carbone sont connus pour prolonger les temps de cohérence des qubits de spin, en raison de leurs deux propriétés uniques : un couplage spin-orbite faible et des couplages hyperfins qui empêchent efficacement la décohérence des spins des électrons.
Figure illustrant une impression visuelle du « papillon » magnétique hébergeant quatre spins intriqués sur des « ailes » (à gauche) et son image à l'échelle atomique correspondante obtenue à l'aide d'un microscope à sonde à balayage (à droite). Crédit : Université nationale de Singapour
L'équipe de chercheurs dirigée par le professeur associé LU Jiong du département de chimie et de l'Institut des matériaux intelligents fonctionnels de la NUS, en collaboration avec le professeur Jishan WU, également du département de chimie de la NUS, et des collaborateurs internationaux, a développé une méthode de conception et de création d'un grand nanographène magnétique en forme de papillon entièrement fusionné. Cette structure unique comporte quatre triangles arrondis ressemblant à des ailes de papillon, chacune de ces ailes contenant un électron π non apparié responsable des propriétés magnétiques observées. Cette réussite est attribuée à la conception atomiquement précise du réseau d'électrons π dans le graphène nanostructuré.
Le professeur agrégé Lu a déclaré : « Le nanographène magnétique, une minuscule molécule composée d’anneaux de benzène fusionnés, est très prometteur en tant que matériau quantique de nouvelle génération pour héberger des spins quantiques fascinants en raison de sa polyvalence chimique et de son long temps de cohérence de spin. Cependant, la création de multiples spins hautement intriqués dans de tels systèmes est une tâche ardue mais essentielle pour construire des réseaux quantiques évolutifs et complexes. »
Cette réalisation importante est le fruit d’une étroite collaboration entre des chimistes synthétiques, des scientifiques des matériaux et des physiciens, dont les principaux contributeurs sont le professeur Pavel Jelinek et le Dr Libor Vei, tous deux de l’Académie tchèque des sciences de Prague.
La percée de la recherche a été récemment publiée dans la revue scientifique Chimie de la nature.
Un nanographène magnétique de nouvelle génération avec des spins hautement intriqués
Les propriétés magnétiques du nanographène découlent généralement de la disposition de ses électrons spéciaux, appelés électrons π, ou de la force de leurs interactions. Cependant, il est difficile de faire fonctionner ces propriétés ensemble pour créer plusieurs spins corrélés. De plus, le nanographène présente principalement un ordre magnétique singulier, où les spins s'alignent soit dans la même direction (ferromagnétique), soit dans des directions opposées (antiferromagnétique).
Les chercheurs de la NUS, le professeur associé Lu Jiong (à gauche), le professeur Wu Jishan (à droite) et le Dr Song Shaotang (au milieu), faisaient partie de l'équipe de recherche multidisciplinaire qui a développé le nanographène magnétique en forme de papillon qui pourrait être utilisé pour les technologies quantiques. Crédit : Université nationale de Singapour
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé un nouveau type de nanographène magnétique. Ils ont créé un nanographène, doté de propriétés à la fois ferromagnétiques et antiferromagnétiques, en forme de papillon, obtenu en combinant quatre triangles plus petits pour former un losange au centre, mesurant environ 3 nanomètres.
Pour produire ce nanographène papillon, les chercheurs ont d’abord conçu un précurseur moléculaire spécial par chimie en solution classique. Ce précurseur a ensuite été utilisé pour la synthèse en surface, un nouveau type de réaction chimique en phase solide réalisée dans un environnement sous vide. Cette approche a permis aux chercheurs de contrôler précisément la forme et la structure du nanographène au niveau atomique.
L’un des aspects fascinants de ce nanographène de papillon est qu’il possède quatre électrons π non appariés, dont les spins sont principalement délocalisés dans les régions des « ailes » et enchevêtrés. À l’aide d’un microscope à sonde à balayage ultra-froid avec une pointe en nickelocène comme capteur de spin à l’échelle atomique, les chercheurs ont mesuré le magnétisme exotique des nanographènes de papillon. De plus, cette nouvelle technique aide les scientifiques à sonder directement les spins enchevêtrés pour comprendre comment le magnétisme du nanographène fonctionne à l’échelle atomique. Cette avancée non seulement relève les défis existants, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour contrôler avec précision les propriétés magnétiques à la plus petite échelle, ce qui conduit à des avancées passionnantes dans la recherche sur les matériaux quantiques.
« Les résultats de cette étude ouvrent la voie à la création de matériaux quantiques organiques de nouvelle génération avec des architectures de spin quantique personnalisées. À l’avenir, notre objectif est de mesurer la dynamique de spin et le temps de cohérence au niveau de la molécule unique et de manipuler ces spins intriqués de manière cohérente. Cela représente une avancée significative vers l’obtention de capacités de traitement et de stockage d’informations plus puissantes », a ajouté le professeur agrégé Lu.
