Графенові наноленти з молекулярними магнітами по краях відкривають нові можливості для спинтроніки і квантових обчислень.
Графен - почесний кристал, що складається з вуглецевої «сітки» товщиною в один атом, - знову в центрі уваги наукової спільноти. Цього разу мова йде про магнітні властивості графенових нанолент. Розрахунки показують, що краї графенових стрічок можуть мати магнітні властивості. Такі матеріали становлять інтерес для спинтроніки.
Якщо розрізати кристал графена на смужки, то залежно від напрямку «нарізки» форма краю буде відрізнятися: в одному випадку ми отримаємо так зване «крісло», а в іншому - «зигзаг». Згідно з розрахунками, наноленти першого типу завжди будуть напівпровідниками, в яких ширина стрічки визначає розмір забороненої зони (тобто кількість енергії, необхідна, щоб перекинути електрон з валентної зони в зону провідності). А наноленти другого типу завжди будуть напівметалами (тобто їх зона валентності і провідності стосуються один одного, не перетинаючись). Більш того, теоретики передбачають, що в такому випадку краї повинні мати магнітні властивості. Цю гіпотезу складно підтвердити або опревергнути експериментально, оскільки ефект очікується слабкий, а виготовлення нанолент з ідеальним краєм - неймовірно важке, якщо взагалі здійсненне завдання.
Електронні та магнітні властивості графенових нанолент тісно пов'язані не тільки зі структрурою краю, але і з його якістю. Будь-який незначний дефект може «змастити» всі взаємодії і навіть перетворити наноленту на напівпровідник. Необхідність ідеально рівного краю на атомному рівні ускладнює виробництво досить якісних зразків для статистично значущих спостережень. Саме тому нам досі складно сказати щось однозначне на основі наявних даних. Ми точно знаємо, що в одношаровому графені утворюються крайові електронні стани, але можемо тільки гадати про їх магнітні властивості.
Євген Третьяков з Інституту органічної хімії ім. М. М. Ворожцова в Новосибірську і його колеги з Інституту досліджень полімерів Товариства Макса Планка в Майнці розробили новий метод синтезу, завдяки якому можна отримати розчин з графеновими нанолентами довжиною близько 100 нм з ідеальними зигзагоподібними краями. По краях нанолент вони прикріпили молекули нітронілнітроксиду - хімічно стійкі органічні молекулярні магніти. Таким чином хіміки вбили кількох зайців одночасно: хімічно активні краї графенових нанолент стабілізовані, функціональні групи дозволяють вивчати магнітні властивості, і на виході виходить велика кількість (цілі міліграми!) зразків, які можна характеризувати за допомогою стандартної оптичної спектроскопії.
Щоб вивчити магнітні властивості отриманих нанолент, Міхаель Слота (Michael Slota) і його колеги з університетів Оксфорда і Ланкастера використовували електронний парамагнітний (спиновий) резонанс (ЕПР), який можна назвати електронним «братом» іншого методу, ядерно-магнітного резонансу. Спином у квантовій фізиці називають проекцію моменту імпульсу частинки на певну вісь, зазвичай спрямовану вздовж зовнішнього магнітного поля, якщо воно присутнє. Магнітне поле розщеплює енергетичні рівні зразка (ефект Зеємана: спин «по полю» більш енергетично вигідний, ніж спин «проти поля»; різниця в енергії визначається силою магнітного поля). Одночасно зразок опромінюють мікрохвильовим випромінюванням, яке поступово змінює частоту. Коли частота випромінювання збігається з енергетичною різницею між різними напрямками спину, зразок поглинає випромінювання. За формою спектрів поглинання при різних магнітних полях можна судити про магнітні властивості зразка і точно виміряти величину взаємодій, які ці властивості визначають.
Використовуючи ЕПР, фізики показали, що магнітні спини на радикалах дійсно наводять спинову щільність по краю наноленти. Щоб точно визначити магнітні властивості власне графенової наноленти, для порівняння використовувалися зразки, що містять аналогічний ланцюжок з молекулярних магнітів, але без графена.
Крім демонстрації магнітних крайових станів, ЕПР-спектроскопія дозволила виміряти силу спін-орбітальної взаємодії в графенових нанолентах. Отримані дані дуже корисні для теоретичних моделей електронної структури графена і важливі в більш фундаментальному сенсі: спін-орбітальна взаємодія в цьому матеріалі настільки мало, що її практично неможливо виміряти методами квантової електроніки, які зазвичай використовують для таких цілей.
Більш того, вивчення так званих динамічних спектрів і спинового еха дає інформацію про те, як довго «живе» кожен магнітний стан. За допомогою динамічного ЕПР фізики виміряли час релаксації спину і втрати когерентності по краях графенових нанолент. Час декогерентності склав близько мікросекунд при кімнатній температурі, а це багатообіцяючий результат. Виходить, що спинова когерентність у таких зразках зберігається довше, ніж вважалося раніше. Можливо, причина в тому, що на відміну від зразків з інших експериментів, стабілізовані графенові наноленти менш схильні до випадкових структурних варіацій і розсіювання на контактах з електродами. Дослідники підозрюють, що джерелом декогерентності в нанолентах стала взаємодія електронних спинів з ядерними спинами молекул радикалів. Хороша новина полягає в тому, що, оптимізуючи склад цих радикалів, можна знизити концентрацію ядерних спинів або зменшити чутливість спинових кубітів до магнітного шуму.
Оскільки магнітні спини можуть орієнтуватися або вздовж магнітного поля, або проти, з них можна скласти кубіт (qubit, або quantum bit) - квантовий аналог одиниці зберігання інформації. Різниця між кубітом і звичайним, «класичним», битом в тому, що кубіт - це суперпозиція станів, позначених як 0 і 1, можливих з певною ймовірністю. Кубит описується не тільки станом 0 або 1, але і співвідношенням їх ймовірностей (сума квадратів ймовірності кожного зі станів кубіту дорівнює 1), тому в одному кубіті можна зашифрувати більше інформації, ніж у звичайному биті. До кубітів, придатних для квантових комп'ютерів, пред'являється цілий ряд вимог. Вони повинні бути «заплутані» один з одним (квантова заплутаність означає, що зміна стану одного з кубітів означає таку ж зміну іншого). Так само система повинна бути ізольована від випадкових зовнішніх пертурбацій, які непоправно руйнують заплутаність і когерентність переданого сигналу. Водночас кубітам потрібні зовнішні стимули, які б ними керували і зчитували зашифровану інформацію.
У цьому відношенні у графена є перевага порівняно з іншими матеріалами, які могли б зберігати кубіти (наприклад, такі напівпровідники як арсенід галію і кремній): електронний струм, що протікає через графен дозволяє керувати кубітами і заплутувати їх. Більш того, дві головні причини втрати когерентності (яка веде до втрати квантової інформації) майже повністю відсутні в графені. Ці причини - взаємодія електронних спинів з орбітальним моментом електронів у вузлах кристалічної решітки і взаємодія тих же електронних спинів з ядерними спинами: спін-орбітальна взаємодія в графені зневажливо мало, а концентрація ядерних спинів в системі з даної роботи невелика.
Потрібно зазначити, що в проведеному експерименті магнітні стани в графеновій наноленті з'явилися за рахунок модифікації магнітними радикалами. Тобто про власний магнетизм країв все ще складно сказати щось конкретне. Можливо, якщо прикріпити по краю немагнітні молекули, вийде виміряти власний магнетизм краю, але в будь-якому випадку ми повинні розрізняти «чисті» графенові наноленти і модифіковані. Адже навіть немагнітні радикали можуть суттєво змінити електронну структуру краю, що вплине на всі інші властивості матеріалу. Втім, з точки зору додатків ця тонкість другорядна.
Щоб керувати кубітами і зчитувати з них інформацію, потрібна зовнішня система. Швидше за все, наноленти потрібно буде «з'єднати» з іншими напівпровідниковими або квантовими пристроями, а це означає, що контакти зменшать термін життя когерентності квантових станів у наноленті. З іншого боку, можливо варто пожертвувати часом декогерентності і збільшити силу спін-орбітальної взаємодії краю наноленти з радикалами, щоб керувати спином в прикріплених молекулах за допомогою електричного поля. Таке посилення можна отримати заміною органічних радикалів на металеві комплекси. Для цього доведеться розробляти нову хімічну «кухню», але в будь-якому випадку ключ до реалізації подібних пристроїв на основі графена, схоже, лежить в кишені у хіміків. А поки отримані результати повинні стати трампліном для відповіді на багато питань про властивості графенових нанолент і тонкощі магнітних взаємодій на молекулярному рівні.
Результати експериментів опубліковані в журналі Nature.