Les nanographènes en sablier débloquent un fort enchevêtrement multi-spin robuste

Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) et leurs collaborateurs ont développé une stratégie de conception prédictive pour créer des molécules de type graphène avec des spins multiples en interaction et une résilience accrue aux perturbations magnétiques, ouvrant de nouvelles voies pour les technologies quantiques à l’échelle moléculaire et la spintronique de nouvelle génération.

L’équipe de recherche était dirigée par le professeur LU Jiong du département de chimie de la NUS et de l’Institut NUS pour les matériaux intelligents fonctionnels, ainsi que par le professeur WU Jishan du département de chimie de la NUS, et des collaborateurs internationaux, dont le contributeur clé, le professeur Pavel Jelínek de l’Académie tchèque des sciences à Prague.

Les nanographènes magnétiques, des molécules composées de cycles benzéniques fusionnés, suscitent un intérêt croissant pour les technologies quantiques car ils peuvent héberger des électrons non appariés, ou spins, qui pourraient être utilisés pour stocker et traiter des informations. Contrairement aux matériaux magnétiques classiques basés sur des atomes métalliques, ces systèmes à base de carbone offrent une polyvalence chimique et des temps de cohérence de spin longs. Cependant, concevoir une molécule unique contenant plusieurs spins fortement couplés de manière stable et contrôlée reste un défi majeur.

Une nouvelle stratégie de conception

S’appuyant sur une structure moléculaire bien connue appelée « gobelet de Clar », l’équipe de recherche a synthétisé deux nanographènes étendus, le C₆₂H₂₂ et le C₇₆H₂₆, en utilisant une chimie de surface atomiquement précise, leurs structures et propriétés étant caractérisées par microscopie à sonde à balayage. En modifiant la forme moléculaire de deux manières différentes, par extension latérale et verticale, les chercheurs ont pu contrôler indépendamment les interactions électron-électron et le nombre de modes d’énergie nulle. Bien que les deux molécules hébergent quatre spins non appariés, ceux-ci proviennent de mécanismes distincts. Dans une molécule, les spins sont entièrement pilotés par la géométrie de la charpente carbonée. Dans l’autre, ils résultent d’une combinaison d’effets géométriques et d’interactions accrues entre les électrons.

Le professeur Lu a déclaré : « Notre travail établit une relation structure-propriété claire dans les nanographènes en forme de sablier grâce à des investigations expérimentales et théoriques combinées. Ces avancées offrent un contrôle sans précédent sur les propriétés magnétiques des matériaux moléculaires, ouvrant de nouvelles possibilités pour les qubits moléculaires et les simulateurs quantiques basés sur des plates-formes carbonées. »

Résilience magnétique accrue

L’équipe de recherche a également comparé la résilience magnétique des deux molécules tétra-radicalaires à l’aide de mesures par microscopie à sonde à balayage avec un capteur magnétique. Bien que les deux molécules contiennent quatre spins fortement corrélés, elles se comportent différemment sous des perturbations magnétiques externes. L’une des molécules a montré une résilience beaucoup plus forte, ce qui signifie que son état quantique était plus difficile à perturber lors de la mesure. Cette robustesse est particulièrement importante pour des applications telles que les qubits moléculaires, où la préservation d’états quantiques fragiles est essentielle.

« À l’avenir, nous visons à sonder la dynamique des spins et les temps de cohérence au niveau de la molécule unique, et à réaliser un contrôle cohérent de ces spins intriqués. Cela marque une étape importante vers le développement de qubits moléculaires et de nanodispositifs spintroniques », a ajouté le professeur Lu.

Article : Rationally designed polyradical nanographenes with strong spin entanglement and perturbation resilience via Clar’s goblet extension. – Journal : Nature Synthesis – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : NUS Edu