Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) alcançaram recentemente um avanço significativo no desenvolvimento de materiais quânticos baseados em carbono de próxima geração, abrindo novos horizontes para avanços na eletrônica quântica.
A inovação envolve um novo tipo de nanofita de grafeno (GNR), denominada Janus GNR (JGNR). O materials possui uma borda em zigue-zague exclusiva, com um estado de borda ferromagnética especial localizado em uma das bordas. Este design exclusivo permite a realização de cadeias de spin ferromagnéticas unidimensionais, que podem ter aplicações importantes em eletrônica quântica e computação quântica.
A pesquisa foi liderada pelo Professor Associado Lu Jiong e sua equipe do Departamento de Química da NUS, em colaboração com parceiros internacionais.
Nanofitas de grafeno, que são tiras estreitas de estruturas de carbono em favo de mel em nanoescala, exibem propriedades magnéticas notáveis devido ao comportamento de elétrons desemparelhados nos orbitais π dos átomos. Através da engenharia atomicamente precisa de suas estruturas de borda em um arranjo em zigue-zague, um canal unidimensional polarizado por spin pode ser construído. Este recurso oferece imenso potencial para aplicações em dispositivos spintrônicos ou servindo como sistemas multi-qubit de próxima geração, que são os blocos de construção fundamentais da computação quântica.
Janus, o antigo deus romano dos começos e fins, é frequentemente descrito como tendo duas faces apontando em direções opostas, representando o passado e o futuro. O termo “Janus” tem sido aplicado na ciência dos materiais para descrever materiais que possuem propriedades diferentes em lados opostos. JGNR tem uma estrutura nova com apenas uma borda da fita em forma de zigue-zague, tornando-a a primeira cadeia de carbono ferromagnética unidimensional do mundo. Este design é conseguido empregando um design precursor em forma de Z que introduz uma série periódica de anéis hexagonais de carbono em uma das bordas em zigue-zague, quebrando a simetria estrutural e de rotação da fita.
Assoc Prof Lu disse: “Nanorfitas magnéticas de grafeno – tiras estreitas de grafeno formadas por anéis de benzeno fundidos – oferecem um enorme potencial para tecnologias quânticas devido aos seus longos tempos de coerência de rotação e ao potencial de operar em temperatura ambiente. Criando um único unidimensional borda em zigue-zague em tais sistemas é uma tarefa assustadora, mas essencial para realizar a montagem de baixo para cima de múltiplos qubits de spin para tecnologias quânticas.”
A conquista significativa é resultado de uma estreita colaboração entre químicos sintéticos, cientistas de materiais e físicos teóricos, incluindo o professor Steven G Louie da UC Berkeley nos Estados Unidos, o professor Hiroshi Sakaguchi da Universidade de Kyoto no Japão e outros autores colaboradores.
O avanço da pesquisa foi publicado na revista científica Natureza em 9 de janeiro de 2025.
Criando as nanofitas de grafeno Janus
Para produzir o JGNR, os pesquisadores inicialmente projetaram e sintetizaram uma série de precursores moleculares especiais em “formato Z” por meio da química convencional em solução. Esses precursores foram então usados para posterior síntese na superfície, que é um novo tipo de reação química em fase sólida realizada em um ambiente ultralimpo. Esta abordagem permitiu aos pesquisadores controlar com precisão a forma e a estrutura das nanofitas de grafeno em nível atômico.
O design em ‘formato Z’ permite a fabricação assimétrica, modificando independentemente um dos dois ramos, criando assim uma borda ‘defeituosa’ desejada, enquanto mantém a outra borda em zigue-zague inalterada. Além disso, ajustar o comprimento do ramal modificado permite a modulação da largura dos JGNRs. A caracterização por meio de microscopia / espectroscopia de sonda de varredura de última geração e da teoria do funcional de densidade de primeiros princípios confirma a fabricação bem-sucedida de JGNRs com estado elementary ferromagnético localizado exclusivamente ao longo da borda em zigue-zague único.
“O projeto racional e a síntese na superfície de uma nova classe de JGNR representam um avanço conceitual e experimental para a realização de cadeias ferromagnéticas unidimensionais. A criação de tais JGNRs não apenas expande as possibilidades de engenharia precisa de magnetismo quântico exótico e permite a montagem de robustos matrizes de spin como qubits de nova geração. Além disso, permite a fabricação de canais de transporte polarizados por spin unidimensionais com bandgaps ajustáveis, o que poderia avançar a spintrônica baseada em carbono no limite unidimensional”, acrescentou. Associado Prof. Lu.
