Forscher der National University of Singapore (NUS) haben kürzlich einen bedeutenden Durchbruch bei der Entwicklung kohlenstoffbasierter Quantenmaterialien der nächsten Generation erzielt und damit neue Horizonte für Fortschritte in der Quantenelektronik eröffnet.
Bei der Innovation handelt es sich um einen neuartigen Typ von Graphen-Nanobändern (GNR) mit dem Namen Janus GNR (JGNR). Das Material verfügt über eine einzigartige Zick-Zack-Kante mit einem speziellen ferromagnetischen Kantenzustand an einer der Kanten. Dieses einzigartige Design ermöglicht die Realisierung einer eindimensionalen ferromagnetischen Spinkette, die wichtige Anwendungen in der Quantenelektronik und im Quantencomputing haben könnte.
Die Forschung wurde von außerordentlichem Professor Lu Jiong und seinem Team vom NUS Department of Chemistry in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern geleitet.
Graphen-Nanobänder, schmale Streifen nanoskaliger wabenförmiger Kohlenstoffstrukturen, weisen aufgrund des Verhaltens ungepaarter Elektronen in den π-Orbitalen der Atome bemerkenswerte magnetische Eigenschaften auf. Durch atomar präzise Konstruktion ihrer Randstrukturen in einer Zickzack-Anordnung kann ein eindimensionaler spinpolarisierter Kanal konstruiert werden. Diese Funktion bietet ein enormes Potenzial für Anwendungen in spintronischen Geräten oder als Multi-Qubit-Systeme der nächsten Generation, die die Grundbausteine des Quantencomputings darstellen.
Janus, der antike römische Gott des Anfangs und Endes, wird oft mit zwei Gesichtern dargestellt, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen und die Vergangenheit und die Zukunft darstellen. Der Begriff „Janus“ wird in der Materialwissenschaft verwendet, um Materialien zu beschreiben, die auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. JGNR hat eine neuartige Struktur, bei der nur eine Kante des Bandes eine Zickzackform aufweist, was es zur weltweit ersten eindimensionalen ferromagnetischen Kohlenstoffkette macht. Dieses Design wird durch die Verwendung eines Z-förmigen Vorläuferdesigns erreicht, das eine periodische Anordnung sechseckiger Kohlenstoffringe an einer der Zickzackkanten einführt und so die Struktur- und Spinsymmetrie des Bandes bricht.
Assoc Prof. Lu sagte: „Magnetische Graphen-Nanobänder – schmale Graphenstreifen, die durch verschmolzene Benzolringe gebildet werden – bieten aufgrund ihrer langen Spinkohärenzzeiten und der Möglichkeit, bei Raumtemperatur zu arbeiten, ein enormes Potenzial für Quantentechnologien. Schaffung eines eindimensionalen Singles.“ Die Entwicklung der Zick-Zack-Kante in solchen Systemen ist eine gewaltige, aber dennoch wesentliche Aufgabe für die Realisierung des Bottom-up-Zusammenbaus mehrerer Spin-Qubits für Quantentechnologien.“
Der bedeutende Erfolg ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen synthetischen Chemikern, Materialwissenschaftlern und theoretischen Physikern, darunter Professor Steven G. Louie von der UC Berkeley in den Vereinigten Staaten, Professor Hiroshi Sakaguchi von der Universität Kyoto in Japan und anderen beitragenden Autoren.
Der Forschungsdurchbruch wurde im Fachjournal veröffentlicht Natur am 9. Januar 2025.
Herstellung der Janus-Graphen-Nanobänder
Zur Herstellung des JGNR entwarfen und synthetisierten die Forscher zunächst eine Reihe spezieller „Z-förmiger“ molekularer Vorläufer mithilfe konventioneller In-Lösungs-Chemie. Diese Vorläufer wurden dann für die anschließende Oberflächensynthese verwendet, bei der es sich um eine neue Art chemischer Festphasenreaktion handelt, die in einer ultrareinen Umgebung durchgeführt wird. Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, die Form und Struktur der Graphen-Nanobänder auf atomarer Ebene präzise zu steuern.
Das „Z-förmige“ Design ermöglicht die asymmetrische Herstellung durch unabhängiges Modifizieren eines der beiden Zweige, wodurch eine gewünschte „defekte“ Kante entsteht, während die andere Zickzack-Kante unverändert bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Anpassung der Länge des modifizierten Zweigs die Modulation der Breite der JGNRs. Die Charakterisierung mittels modernster Rastersondenmikroskopie/-spektroskopie und First-Principles-Dichtefunktionaltheorie bestätigt die erfolgreiche Herstellung von JGNRs mit ferromagnetischem Grundzustand, der ausschließlich entlang der einzelnen Zickzackkante lokalisiert ist.
„Das rationale Design und die On-Surface-Synthese einer neuartigen Klasse von JGNR stellen einen konzeptionellen und experimentellen Durchbruch für die Realisierung eindimensionaler ferromagnetischer Ketten dar. Die Schaffung solcher JGNRs erweitert nicht nur die Möglichkeiten für die präzise Konstruktion exotischen Quantenmagnetismus und ermöglicht den Aufbau robuster.“ „Spin-Arrays als Qubits der neuen Generation ermöglichen die Herstellung eindimensionaler spinpolarisierter Transportkanäle mit einstellbaren Bandlücken, die die kohlenstoffbasierte Spintronik an der eindimensionalen Grenze voranbringen könnten“, fügte er hinzu Assoc Prof. Lu.
