Магнитные наноленты из графена – перфокарты для квантовых компьютеров?
Графеновые наноленты с молекулярными магнитами по краям открывают новые возможности для спинтроники и квантовых вычислений.
Графен – двумерный кристалл, состоящий из углеродной «сетки» толщиной в один атом, – снова в центре внимания научного сообщества. На этот раз речь идёт о магнитных свойствах графеновых нанолент. Расчёты показывают, что края графеновых лент могут обладать магнитными свойствами. Такие материалы представляют интерес для спинтроники.
Если разрезать кристалл графена на полоски, то в зависимости от направления «нарезки» форма края будет отличаться: в одном случае мы получим так называемое «кресло», а в другом – «зигзаг». Согласно расчётам, наноленты первого типа всегда будут полупроводниками, в которых ширина ленты определяет размер запрещённой зоны (то есть количество энергии, необходимое, чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости). А наноленты второго типа всегда будут полуметаллами (то есть их зона валентности и проводимости касаются друг друга, не пересекаясь). Более того, теоретики предсказывают, что в таком случае края должны обладать магнитными свойствами. Эту гипотезу сложно подтвердить или опревергнуть экспериментально, поскольку эффект ожидается слабый, а изготовление нанолент с идеальным краем – невероятно тяжелая, если вообще выполнимая задача.
Электронные и магнитные свойства графеновых нанолент тесно связаны не только со структрурой края, но и с его качеством. Любой незначительный дефект может «смазать» все взаимодействия и даже превратить наноленту в полупроводник. Необходимость идеально ровного края на атомном уровне усложняет производство достаточно качественных образцов для статистически значимых наблюдений. Именно поэтому нам до сих пор сложно сказать что-то однозначное на основе имеющихся данных. Мы точно знаем, что в однослойном графене образуются краевые электронные состояния, но можем только гадать об их магнитных свойствах.
Евгений Третьяков из Института органической химии им. Н. Н. Ворожцова в Новосибирске и его коллеги из Института исследований полимеров Общества Макса Планка в Майнце разработали новый метод синтеза, благодаря которому можно получить раствор с графеновыми нанолентами длиной около 100 нм с идеальными зигзагообразными краями. По краям нанолент они прикрепили молекулы нитронилнитроксида – химически устойчивые органические молекулярные магниты. Таким образом химики убили нескольких зайцев одновременно: химически активные края графеновых нанолент стабилизированы, функциональные группы позволяют изучать магнитные свойства, и на выходе получается большое количество (целые миллиграммы!) образцов, которые можно характеризовать с помощью стандартной оптической спектроскопии.
Чтобы изучить магнитные свойства полученных нанолент, Михаэль Слота (Michael Slota) и его коллеги из университетов Оксфорда и Ланкастера использовали электронный парамагнитный (спиновый) резонанс (ЭПР), который можно назвать электронным «братом» другого метода, ядерно-магнитного резонанса. Спином в квантовой физике называют проекцию момента импульса частицы на определенную ось, обычно направленную вдоль внешнего магнитного поля, если оно присутствует. Магнитное поле расщепляет энергетические уровни образца (эффект Зеемана: спин «по полю» более энергетически выгоден, чем спин «против поля»; разница в энергии определяется силой магнитного поля). Одновременно образец облучают микроволновым излучением, которое постепенно изменяет частоту. Когда частота излучения совпадает с энергетической разницей между разными направлениями спина, образец поглощает излучение. По форме спектров поглощения при разных магнитных полях можно судить о магнитных свойствах образца и точно измерить величину взаимодействий, которые эти свойства определяют.
Используя ЭПР, физики показали, что магнитные спины на радикалах действительно наводят спиновую плотность по краю наноленты. Чтобы точно определить магнитные свойства собственно графеновой наноленты, для сравнения использовались образцы, содержащие аналогичную цепочку из молекулярных магнитов, но без графена.
Помимо демонстрации магнитных краевых состояний, ЭПР-спектроскопия позволила измерить силу спин-орбитального взаимодействия в графеновых нанолентах. Полученные данные очень полезны для теоретических моделей электронной структуры графена и важны в более фундаментальном смысле: спин-орбитальное взаимодействие в этом материале настолько мало, что его практически невозможно измерить методами квантовой электроники, которые обычно используют для таких целей.
Более того, изучение так называемых динамических спектров и спинового эха даёт информацию о том, как долго «живёт» каждое магнитное состояние. С помощью динамического ЭПР физики измерили время релаксации спина и потери когерентности по краям графеновых нанолент. Время декогерентности составлило порядка микросекунд при комнатной температуре, а это многообещающий результат. Получается, что спиновая когерентность в таких образцах сохраняется дольше, чем считалось ранее. Возможно, причина в том, что в отличие от образцов из других экспериментов, стабилизированные графеновые наноленты менее подвержены случайным структурным вариациям и рассеиванию на контактах с электродами. Исследователи подозревают, что источником декогерентности в нанолентах стало взаимодействие электронных спинов с ядерными спинами молекул радикалов. Хорошая новость заключается в том, что, оптимизируя состав этих радикалов, можно снизить концентрацию ядерных спинов или уменьшить чувствительность спиновых кубитов к магнитному шуму.
Поскольку магнитные спины могут ориентироваться либо вдоль магнитного поля, либо против, из них можно составить кубит (qubit, или quantum bit) – квантовый аналог единицы хранения информации. Разница между кубитом и обычным, «классическим», битом в том, что кубит – это суперпозиция состояний, обозначенных как 0 и 1, возможных с определённой вероятностью. Кубит описывается не только состоянием 0 или 1, но и соотношением их вероятностей (сумма квадратов вероятности каждого из состояний кубита равна 1), поэтому в одном кубите можно зашифровать больше информации, чем в обычном бите. К кубитам, пригодным для квантовых компьютеров, предъявляется целый ряд требований. Они должны быть «запутаны» друг с другом (квантовая запутанность означает, что изменение состояния одного из кубитов означает такое же изменение другого). Так же система должна быть изолирована от случайных внешних пертурбаций, которые невосполнимо разрушают запутанность и когерентность передаваемого сигнала. В то же время кубитам нужны внешние стимулы, которые бы ими управляли и считывали зашифрованную информацию.
В этом отношении у графена есть преимущество по сравнению с другими материалами, которые могли бы хранить кубиты (например, такие полупроводники как арсенид галлия и кремний): электронный ток, протекающий через графен позволяет управлять кубитами и запутывать их. Более того, два главных причины потери когерентности (которая ведёт к потере квантовой информации) почти полностью отсутствуют в графене. Эти причины – взаимодействие электронных спинов с орбитальным моментом электронов в узлах кристаллической решётки и взаимодействие тех же электронных спинов с ядерными спинами: спин-орбитальное взаимодействие в графене пренебрежимо мало, а концентрация ядерных спинов в системе из данной работы невелика.
Нужно отметить, что в проведенном эксперименте магнитные состояния в графеновой наноленте появились за счёт модификации магнитными радикалами. То есть про собственный магнетизм краёв всё ещё сложно сказать что-то конкретное. Возможно, если прикрепить по краю немагнитные молекулы, получится измерить собственный магнетизм края, но в любом случае мы должны различать «чистые» графеновые наноленты и модифицированные. Ведь даже немагнитные радикалы могут существенно изменить электронную структуру края, что повлияет на все остальные свойства материала. Впрочем, с точки зрения приложений эта тонкость второстепенна.
Чтобы управлять кубитами и считывать с них информацию, нужна внешняя система. Скорее всего, наноленты нужно будет «соединить» с другими полупроводниковыми или квантовыми устройствами, а это значит, что контакты уменьшат срок жизни когерентности квантовых состояний в наноленте. С другой стороны, возможно стоит пожертвовать временем декогерентности и увеличить силу спин-орбитального взаимодействия края наноленты с радикалами, чтобы управлять спином в прикреплённых молекулах с помощью электрического поля. Такое усиление можно получить заменой органических радикалов на металлические комплексы. Для этого придётся разрабатывать новую химическую «кухню», но в любом случае ключ к реализации подобных устройств на основе графена, похоже, лежит в кармане у химиков. А пока полученные результаты должны стать трамплином для ответа на многие вопросы о свойствах графеновых нанолент и тонкостях магнитных взаимодействий на молекулярном уровне.
Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature.
