Nuevas cintas de grafeno para el avance de las tecnologías cuánticas
Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han logrado recientemente un avance significativo en el desarrollo de materiales cuánticos de carbono de nueva generación, abriendo nuevos horizontes a los avances en electrónica cuántica.
Un modelo atómico de los nanoribbones de grafeno Janus (izquierda) y su imagen al microscopio de fuerza atómica (derecha).
National University of Singapore
La innovación consiste en un nuevo tipo de nanoribbono de grafeno (GNR), denominado Janus GNR (JGNR). El material tiene un borde único en zigzag, con un estado de borde ferromagnético especial situado en uno de los bordes. Este diseño único permite la realización de una cadena de espín ferromagnético unidimensional, que podría tener importantes aplicaciones en electrónica cuántica y computación cuántica.
La investigación fue dirigida por el profesor asociado Lu Jiong y su equipo del Departamento de Química de la NUS, en colaboración con socios internacionales.
Los nanoribbones de grafeno, que son tiras estrechas de estructuras de carbono en nido de abeja a escala nanométrica, presentan notables propiedades magnéticas debidas al comportamiento de los electrones no apareados en los orbitales π de los átomos. Gracias a la ingeniería atómica de sus bordes en zigzag, se puede construir un canal unidimensional polarizado por espín. Esta característica ofrece un inmenso potencial para aplicaciones en dispositivos espintrónicos o como sistemas multiqubit de nueva generación, que son los pilares fundamentales de la computación cuántica.
Jano, el antiguo dios romano de los comienzos y los finales, suele representarse con dos caras que apuntan en direcciones opuestas y que representan el pasado y el futuro. El término "Jano" se ha aplicado en la ciencia de materiales para describir materiales que tienen propiedades diferentes en caras opuestas. El JGNR tiene una estructura novedosa en la que sólo uno de los bordes de la cinta tiene forma de zigzag, lo que lo convierte en la primera cadena de carbono ferromagnético unidimensional del mundo. Este diseño se consigue empleando un diseño precursor en forma de Z que introduce una matriz periódica de anillos hexagonales de carbono en uno de los bordes en zigzag, rompiendo la simetría estructural y de espín de la cinta.
En palabras del profesor Lu: "Los nanoribbones de grafeno magnético -estrechas tiras de grafeno formadas por anillos de benceno fusionados- ofrecen un enorme potencial para las tecnologías cuánticas debido a sus largos tiempos de coherencia de espín y a su potencial para funcionar a temperatura ambiente. La creación de un único borde en zigzag unidimensional en estos sistemas es una tarea ardua pero esencial para realizar el ensamblaje ascendente de múltiples qubits de espín para tecnologías cuánticas".
Este importante logro es fruto de la estrecha colaboración entre químicos sintéticos, científicos de materiales y físicos teóricos, entre ellos el profesor Steven G Louie de la Universidad de Berkeley (Estados Unidos), el profesor Hiroshi Sakaguchi de la Universidad de Kioto (Japón) y otros autores.
El avance de la investigación se publicó en la revista científica Nature el 9 de enero de 2025.
Creación de los nanoribbones de grafeno Janus
Para producir los JGNR, los investigadores diseñaron y sintetizaron inicialmente una serie de precursores moleculares especiales en forma de "Z" mediante química convencional en solución. Estos precursores se utilizaron para la posterior síntesis en superficie, un nuevo tipo de reacción química en fase sólida que se realiza en un entorno ultralimpio. Este método permitió a los investigadores controlar con precisión la forma y la estructura de los nanoribbones de grafeno a nivel atómico.
El diseño en "forma de Z" permite la fabricación asimétrica modificando independientemente una de las dos ramas, con lo que se crea un borde "defectuoso" deseado, mientras se mantiene inalterado el otro borde en zigzag. Además, el ajuste de la longitud de la rama modificada permite modular la anchura de los JGNR. La caracterización mediante microscopía/espectroscopía de sonda de barrido de última generación y la teoría del funcional de la densidad de primeros principios confirman el éxito de la fabricación de los JGNR con estado ferromagnético de reposo localizado exclusivamente a lo largo del único borde en zigzag.
"El diseño racional y la síntesis en superficie de una nueva clase de JGNR representan un avance conceptual y experimental en la realización de cadenas ferromagnéticas unidimensionales. La creación de estos JGNR no sólo amplía las posibilidades de ingeniería precisa del magnetismo cuántico exótico y permite el ensamblaje de matrices de espín robustas como qubits de nueva generación. Además, permite la fabricación de canales de transporte unidimensionales polarizados por espín con brechas de banda sintonizables, lo que podría hacer avanzar la espintrónica basada en carbono en el límite unidimensional", añadió el profesor Lu.
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