De nouveaux rubans de graphène pour faire progresser les technologies quantiques
Des chercheurs de l'université nationale de Singapour (NUS) ont récemment réalisé une percée significative dans le développement de matériaux quantiques à base de carbone de la prochaine génération, ouvrant de nouveaux horizons pour les progrès de l'électronique quantique.
Modèle atomique des nanorubans de graphène Janus (à gauche) et son image au microscope à force atomique (à droite).
National University of Singapore
L'innovation porte sur un nouveau type de nanoruban de graphène (GNR), appelé Janus GNR (JGNR). Ce matériau présente un bord en zigzag unique, avec un état de bord ferromagnétique spécial situé sur l'un des bords. Cette conception unique permet la réalisation d'une chaîne de spin ferromagnétique unidimensionnelle, qui pourrait avoir des applications importantes en électronique et en informatique quantiques.
La recherche a été menée par le professeur associé Lu Jiong et son équipe du département de chimie de NUS, en collaboration avec des partenaires internationaux.
Les nanorubans de graphène, qui sont des bandes étroites de structures de carbone en nid d'abeille à l'échelle nanométrique, présentent des propriétés magnétiques remarquables dues au comportement des électrons non appariés dans les orbitales π des atomes. Grâce à une ingénierie atomiquement précise de leurs structures de bord en zigzag, il est possible de construire un canal unidimensionnel polarisé en spin. Cette caractéristique offre un immense potentiel pour des applications dans des dispositifs spintroniques ou pour servir de systèmes multi-qubits de la prochaine génération, qui sont les éléments fondamentaux de l'informatique quantique.
Janus, l'ancien dieu romain des débuts et des fins, est souvent représenté avec deux visages pointant dans des directions opposées, représentant le passé et l'avenir. Le terme "Janus" a été appliqué à la science des matériaux pour décrire les matériaux qui ont des propriétés différentes sur les faces opposées. Le JGNR présente une structure nouvelle, avec un seul bord du ruban en forme de zigzag, ce qui en fait la première chaîne de carbone ferromagnétique unidimensionnelle au monde. Cette conception est obtenue en utilisant un précurseur en forme de Z qui introduit un réseau périodique d'anneaux de carbone hexagonaux sur l'un des bords en zigzag, brisant ainsi la symétrie structurelle et la symétrie de spin du ruban.
Le professeur associé Lu a déclaré : "Les nanorubans de graphène magnétique - d'étroites bandes de graphène formées par la fusion d'anneaux de benzène - offrent un potentiel énorme pour les technologies quantiques en raison de leurs longs temps de cohérence de spin et de la possibilité de fonctionner à température ambiante. La création d'une arête en zigzag unidimensionnelle dans ces systèmes est une tâche redoutable mais essentielle pour réaliser l'assemblage ascendant de qubits à spin multiple pour les technologies quantiques".
Ce résultat important est le fruit d'une étroite collaboration entre des chimistes de synthèse, des spécialistes des matériaux et des physiciens théoriques, dont le professeur Steven G Louie de l'université de Berkeley aux États-Unis, le professeur Hiroshi Sakaguchi de l'université de Kyoto au Japon et d'autres auteurs ayant contribué à la recherche.
L'avancée de la recherche a été publiée dans la revue scientifique Nature le 9 janvier 2025.
Création des nanorubans de graphène Janus
Pour produire les JGNR, les chercheurs ont d'abord conçu et synthétisé une série de précurseurs moléculaires spéciaux en forme de Z par le biais d'une chimie conventionnelle en solution. Ces précurseurs ont ensuite été utilisés pour la synthèse en surface, qui est un nouveau type de réaction chimique en phase solide réalisée dans un environnement ultra-propre. Cette approche a permis aux chercheurs de contrôler précisément la forme et la structure des nanorubans de graphène au niveau atomique.
La forme en Z permet une fabrication asymétrique en modifiant indépendamment l'une des deux branches, créant ainsi un bord "défectueux" souhaité, tout en maintenant l'autre bord en zigzag inchangé. En outre, l'ajustement de la longueur de la branche modifiée permet de moduler la largeur des JGNR. La caractérisation par microscopie/spectroscopie à sonde à balayage de pointe et par la théorie de la fonctionnelle de la densité de premier principe confirme la fabrication réussie de JGNRs dont l'état fondamental ferromagnétique est exclusivement localisé le long de l'unique bord en zigzag.
"La conception rationnelle et la synthèse en surface d'une nouvelle classe de JGNR représentent une percée conceptuelle et expérimentale pour la réalisation d'une chaîne ferromagnétique unidimensionnelle. La création de tels JGNR élargit non seulement les possibilités d'ingénierie précise du magnétisme quantique exotique et permet l'assemblage de réseaux de spin robustes en tant que qubits de nouvelle génération. En outre, elle permet de fabriquer des canaux de transport unidimensionnels polarisés par le spin avec des bandes interdites accordables, ce qui pourrait faire progresser la spintronique à base de carbone à la limite unidimensionnelle", a ajouté le professeur associé Lu.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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