Концепцию синтеза предложил сотрудник Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН доктор химических наук Евгений Викторович Третьяков. Работы велись в Институте исследований полимеров имени Макса Планка и Оксфордском университете. Статья об этом опубликована в журнале Nature (Magnetic edge states and coherent manipulation of graphene nanoribbons/ Michael Slota, Ashok Keerthi, William K. Myers, Evgeny Tretyakov, Martin Baumgarten, Arzhang Ardavan, Hatef Sadeghi, Colin J. Lambert, Akimitsu Narita, Klaus Müllen & Lapo Bogani// Nature, volume 557, pages691–695 (2018), https://doi.org/10.1038/s41586-018-0154-7)
Все внимание к краям графена
Графеновые наноленты - узкие полоски из двумерного кристалла графена - хорошо изучены в теории. Интересно, что свойства графеновой наноленты зависят от формы ее краев. Если рассмотреть этот объект под электронным микроскопом, мы увидим сетку из правильных шестиугольников, образованных атомами углерода. При этом атомы на краях будут располагаться или зигзагом, или в виде "кресла". Это зависит от того, как ориентированы ячейки кристаллической решетки (условно говоря, по горизонтали или по диагонали).
Зигзагообразные края графеновых нанолент давно интересовали ученых как потенциальные обладатели магнитных свойств, но протестировать такие наноленты на практике не выходило. Дело в том, что их края получались нестабильными и быстро портились при взаимодействии с окружающей средой - происходила реакция с кислородом. Другая сложность состояла в том, что не удавалось создать "стандартную" графеновую наноленту. Каждый из получаемых образцов был уникален, и это влияло на их характеристики, а значит, результаты каждой конкретной работы нельзя было повторить. Для того чтобы продвинуться в исследованиях, требовались другие образцы: воспроизводимые и достаточно устойчивые, с которыми легко проводить манипуляции, например, наносить на поверхности и изучать методами сканирующей электронной спектроскопии.
Молекулярный магнетизм: на стыке химии и физики
Решение пришло неожиданно, благодаря встрече российских и немецких химиков разных научных школ. Во время профессорского визита в Институт исследований полимеров имени Макса Планка (Германия) Евгений Третьяков участвовал в семинаре, где обсуждалась проблема высокой химической активности зигзагообразных краев нанолент из графена. Там и появилась идея, впоследствии оказавшаяся более чем удачной.
"В этой работе встретились два направления, которые раньше не пересекались: химия стабильных органических радикалов, а также физика и химия графена, - рассказывает Евгений Третьяков. - В институт я приехал с другой научной задачей, но раньше много лет занимался нитроксильными радикалами. У меня возникло предложение: что, если специально завести в края стабильные радикальные группировки молекул нитронилнитроксида? Было решено попробовать". Меньше чем за месяц ученые синтезировали долгожданные образцы нанолент - с атомарно и магнитно точным зигзагообразным краем и воспроизводимыми свойствами. Причем удалось получить впечатляющее количество экземпляров (счет идет на миллиграммы). Средняя длина синтезированных нанолент около 100 нанометров, ширина - 7,1 ангстрем.
Нитроксильные группы, которые "пришивали" к краям графена, сами являются магнитно активными. Поэтому для чистоты эксперимента их присоединили не только к графеновым нанолентам, но и к их полимерным предшественникам, края которых точно не имеют магнитных свойств. Затем к исследованиям подключилась группа ученых из Оксфордского университета под руководством профессора Лапо Богани. Используя самые современные приборы, они увидели существенную разницу в магнитном поведении графеновых и полимерных образцов.
Выяснилось, что в графеновом материале нитроксильные группы индуцируют значительную по сравнению с полимером спиновую плотность на атомах углерода, с которыми они связаны. Из-за этого на краях нанолент появляются магнитные состояния, обусловленные неспаренными электронами радикальных групп и краевых спинов. Именно в силу наличия последних графеновый остов может быть использован в качестве когерентного канала, обеспечивающего взаимодействие радикальных спинов, и служить основой двухкубитового логического вентиля в квантовых компьютерах.
Квантовые перспективы
Сейчас в НИОХ СО РАН под руководством Евгения Третьякова графеновыми нанолентами занимается целая команда молодых сотрудников. Продолжается работа с Институтом исследований полимеров и Оксфордским университетом. В планах сибирских ученых создать целую область молекулярного дизайна графеновых магнетиков (это не только наноленты, но и другие геометрические структуры из графена). В перспективе должны получиться материалы, решающие такие задачи спинтроники, как электронное детектирование спиновых состояний или реализация квантовых операций посредством одного проводящего электрона.
Сегодня в электронных устройствах для передачи, обработки и хранения информации используются электроны как носители заряда. Однако электроника практически не рассматривает собственный магнитный момент элементарной частицы, или спин. Спиновыми свойствами электрона занимается новая быстроразвивающаяся область науки и технологии - спинтроника.
Спин электрона, в частности, может быть полезен для создания производительных и менее энергоемких элементов микросхем. Его можно очень быстро изменить, и это требует совсем мало энергии по сравнению с аналогичными операциями, производимыми над движущимися зарядами. Такие свойства спина открывают перспективы создания новых приборов, схожих с обычными транзисторами, но более эффективных. Они будут располагаться в микросхемах гораздо плотнее, а значит, сохранится закон Мура: тенденция к миниатюризации устройств при увеличении их производительности. Особый интерес спинтроника представляет для реализации идеи квантовых вычислений. Под воздействием магнитного поля спин принимает одно из двух направлений, которые могут быть использованы для кодирования состояний 0 и 1 квантового бита (кубита) - единицы информации потенциального квантового компьютера. Правда, исследования в этой области пока далеки от конкретного применения.
Работа проводилась в сотрудничестве с Оксфордским университетом, Великобритания (проф. Лапо Богани (Lapo Bogani), Институтом исследований полимеров им. Макса Планка, Германия (д-р Акимицу Нарита (Akimitsu Narita), проф. Мартин Баумгартен (Martin Baumgarten). Профессорский визит Е.В. Третьякова в Институт исследований полимеров им. Макса Планка, Германия состоялся благодаря гранту DAAD (Немецкой службы академических обменов). В настоящее время исследования в НИОХ СО РАН выполняются при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-13-00173 Графеновые наноструктуры, функционализированные стабильными радикальными группами, руководитель проекта - д.х.н. Е.В. Третьяков).
Александра Федосеева
Источники
Сибирский ученый нашел ключ к магнетизму нанолент из графена
- Наука в Сибири (sbras.info), 22/08/2018
Сибирский ученый нашел ключ к магнетизму нанолент из графена
- Новости сибирской науки (www.sib-science.info), 22/08/2018