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Un nanopapillon magnétique prêt à faire progresser les technologies quantiques

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Un nanopapillon magnétique prêt à faire progresser les technologies quantiques

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Une impression visuelle du « papillon » magnétique hébergeant quatre cycles imbriqués sur les « ailes » (à gauche) et son image correspondante à l’échelle atomique obtenue par microscopie à sonde à balayage (à droite). Crédit : Université nationale de Singapour

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Une impression visuelle du « papillon » magnétique hébergeant quatre cycles imbriqués sur les « ailes » (à gauche) et son image correspondante à l’échelle atomique obtenue par microscopie à sonde à balayage (à droite). Crédit : Université nationale de Singapour

Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un nouveau concept pour créer la prochaine génération de matériaux quantiques à base de carbone, sous la forme de minuscules nanographes magnétiques en forme de papillon unique qui hébergent des spins hautement corrélés. Cette nouvelle conception a le potentiel d’accélérer les progrès des matériaux quantiques qui sont essentiels au développement de technologies informatiques quantiques de pointe, prêtes à révolutionner le traitement de l’information et les capacités de stockage haute densité.

L'équipe était dirigée par le professeur agrégé Luo Jeong du département de chimie de l'université nationale de Singapour et de l'institut des matériaux fonctionnels intelligents, ainsi que par le professeur Wu Jishan, également du département de chimie de l'université nationale de Singapour, et des collaborateurs internationaux. . La recherche a été publiée dansChimie naturelle.

Le nanographène magnétique, une petite structure constituée de molécules de graphène, présente des propriétés magnétiques remarquables dues au comportement de certains électrons dans les orbitales des atomes de carbone. En concevant soigneusement la disposition de ces atomes de carbone à l’échelle nanométrique, le comportement de ces électrons uniques peut être contrôlé. Cela rend le nanographène très prometteur pour créer de très petits aimants et pour fabriquer les éléments de base nécessaires aux ordinateurs quantiques, appelés bits quantiques ou qubits.

La structure unique en forme de papillon du graphène magnétique développée par les chercheurs contient quatre triangles arrondis ressemblant à des ailes de papillon, chacune de ces ailes portant un électron non apparié responsable des propriétés magnétiques observées. La structure a été obtenue grâce à une conception atomiquement précise du réseau électronique π dans le graphène nanostructuré.

« Le nanographène magnétique, une petite molécule composée d'anneaux benzéniques fusionnés, est très prometteur en tant que matériau quantique de nouvelle génération pour héberger des spins quantiques exquis en raison de sa diversité chimique et de son long temps de cohérence de spin », a déclaré le professeur agrégé Lu. est une tâche ardue mais essentielle pour construire des réseaux quantiques complexes et évolutifs.

Cette réalisation est le résultat d'une étroite collaboration entre des chimistes de synthèse, des scientifiques des matériaux et des physiciens, dont les principaux contributeurs, le professeur Pavel Jelinek et le Dr Libor Vai, de l'Académie tchèque des sciences de Prague.

Nanographène magnétique à spin hautement intriqué de nouvelle génération

Les propriétés magnétiques du nanographène proviennent généralement de la disposition de ses électrons, appelés électrons π, ou de la force de leurs interactions. Cependant, il est difficile de faire fonctionner ces propriétés ensemble pour créer plusieurs cours interconnectés. Le nanographène présente également principalement un arrangement magnétique unique, dans lequel les spins sont alignés soit dans la même direction (ferromagnétisme), soit dans des directions opposées (antimagnétisme).

Les chercheurs ont développé un moyen de surmonter ces défis. Le nanographène en forme de papillon, doté de propriétés ferromagnétiques et antiferromagnétiques, est formé en combinant quatre triangles plus petits en un losange au centre. Le nanographène mesure environ 3 nanomètres.

Pour produire le nanographène « papillon », les chercheurs ont d’abord conçu un précurseur de molécule spéciale via la chimie conventionnelle en solution. Ce matériau de départ a ensuite été utilisé pour la synthèse de surface ultérieure, un nouveau type de réaction chimique en phase solide réalisée dans un environnement sous vide. Cette approche a permis aux chercheurs de contrôler avec précision la forme et la structure du nanographène au niveau atomique.

Un aspect intéressant du nanographène « papillon » réside dans ses quatre électrons non appariés, avec des spins délocalisés principalement dans les régions des « ailes » et enchevêtrés ensemble. À l’aide d’un microscope à sonde cryogénique doté d’une pointe en niclocine comme capteur de spin au niveau atomique, les chercheurs ont mesuré le magnétisme des nanographènes papillon. De plus, cette nouvelle technique aide les scientifiques à diriger les spins intriqués pour comprendre comment fonctionne le magnétisme du nanographène au niveau atomique.

Cette percée non seulement répond aux défis existants, mais ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler avec précision les propriétés magnétiques à la plus petite échelle, conduisant à des développements passionnants dans la recherche sur les matériaux quantiques.

« Les connaissances acquises grâce à cette étude ouvrent la voie à la création d’une nouvelle génération de matériaux quantiques organiques dotés d’architectures de spin quantiques sur mesure. À l’avenir, notre objectif est de mesurer la dynamique de spin et le temps de cohérence au niveau d’une seule molécule et de les manipuler de manière cohérente. « Les spins intriqués », a déclaré le professeur agrégé Lu. « Cela représente une étape majeure vers la réalisation de capacités de traitement et de stockage de l'information plus puissantes. »

Plus d'information:
Xiaotang Song et al., Nanographène multiradicalaire hautement intriqué avec une forte corrélation et une frustration topologique, Chimie naturelle (2024). est ce que je: 10.1038/s41557-024-01453-9

Informations sur les magazines :
Chimie naturelle


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Encore une fois, Einstein ! Les scientifiques découvrent où les « cascades » de matière tombent dans les trous noirs

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Encore une fois, Einstein !  Les scientifiques découvrent où les « cascades » de matière tombent dans les trous noirs

Les scientifiques ont confirmé, pour la première fois, que la structure de l’espace-temps elle-même fait un « plongeon final » au bord d’un trou noir.

Cette région de naufrage autour des trous noirs a été observée par des astrophysiciens en physique de l’Université d’Oxford et contribue à valider une prédiction clé de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915 : la relativité générale.

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La Chine construit un réseau de radars pour soutenir les prévisions météorologiques spatiales mondiales-China.org.cn

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La Chine construit un réseau de radars pour soutenir les prévisions météorologiques spatiales mondiales-China.org.cn

Cette image non datée fournie par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) montre des radars à diffusion cohérente haute fréquence situés dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans le nord-ouest de la Chine. [Photo/Xinhua]

La Chine a construit un réseau de radars à haute fréquence aux latitudes moyennes dans les régions du nord du pays afin de fournir des données de détection de haute qualité pour les prévisions et les alertes météorologiques spatiales mondiales.

Le premier lot de résultats de découvertes scientifiques du réseau a été publié lors d’un atelier international sur le réseau de radars super doubles auroral (SuperDARN), qui s’est ouvert lundi à Pékin.

Le réseau, établi par le Centre national des sciences spatiales (NSSC) de l’Académie chinoise des sciences, a été achevé en octobre 2023. Il fait également partie de la deuxième phase du projet chinois Meridian, un réseau de surveillance de la météo spatiale comprenant des stations au sol.

Le Conseil de sécurité nationale a déclaré que la Chine avait réalisé de nouvelles avancées dans la technologie des radars à diffusion cohérente à haute fréquence et dans la recherche scientifique, et qu’elle s’efforcerait d’approfondir la coopération internationale dans ce domaine.

L’ionosphère abrite toutes les particules chargées de l’atmosphère terrestre. Il abrite également de nombreux vaisseaux spatiaux, notamment des stations spatiales. Les scientifiques affirment que des irrégularités dans l’ionosphère pourraient perturber les signaux.

Six radars à diffusion cohérente à haute fréquence ont été installés dans la province du Jilin, dans la région autonome de Mongolie intérieure et dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang, dans les régions du nord de la Chine.

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Cette série de radars à haute fréquence permet une détection continue et à grande échelle des irrégularités ionosphériques dans les latitudes moyennes et élevées du secteur asiatique. La portée de détection peut atteindre 4 000 kilomètres du sud au nord, et la portée est-ouest dépasse 12 000 kilomètres, selon le NSSC.

La série de radars à haute fréquence devrait rejoindre le réseau SuperDARN, un réseau mondial de radars scientifiques qui surveillent les conditions dans l’environnement spatial proche de la Terre et permettent l’échange et le partage de données en temps réel avec des bases de données au Royaume-Uni et au Canada.

SuperDARN, qui compte des membres provenant de dizaines de pays, dont le Royaume-Uni, les États-Unis, le Canada, le Japon, la Chine, la France, l’Italie, la Norvège, l’Australie et l’Afrique du Sud, est également l’une des principales organisations internationales participant à l’International Meridian Circle. Le programme proposé par la Chine.

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Des courants d’étoiles étonnamment anciens pourraient être les éléments constitutifs de la Voie Lactée

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Des courants d’étoiles étonnamment anciens pourraient être les éléments constitutifs de la Voie Lactée

Les archéologues hongrois, déchiffrant l’arbre généalogique complexe de notre galaxie, ont découvert deux autres branches : des flux primordiaux de milliers d’étoiles près du cœur de la Voie lactée qui pourraient être deux de ses premiers morceaux il y a au moins 12 milliards d’années. Les anciens amas se sont probablement formés avant même que le disque et les bras spiraux de la Voie lactée ne commencent à se former, fournissant ainsi de nouvelles informations sur la façon dont notre galaxie vieille de 13,6 milliards d’années s’est formée à ses débuts et s’est assemblée vers la spirale organisée que nous connaissons aujourd’hui.

Les étoiles des deux courants ont entre 12 et 13 milliards d’années, si vieilles que leurs découvreurs ont été étonnés de pouvoir les détecter, et encore moins les découvrir dans des amas aussi clairement distinguables. Les astronomes soupçonnent que ces filaments stellaires, chacun mesurant environ 10 millions de soleils, ont été laissés sur place lorsque leurs galaxies massives ont fusionné avec la Voie Lactée naissante, il y a environ 12 milliards d’années. Si cette hypothèse était confirmée par de futures observations, les astronomes auraient détecté la genèse de la Voie Lactée, représentant une époque où la Voie Lactée naissante se regroupait à la suite de multiples fusions avec des galaxies plus petites et malheureuses.

Les nouveaux brins d’étoiles ont été nommés Shiva et Shakti, en hommage au couple divin hindou dont l’union aurait créé l’univers. Shiva semble héberger environ 5 600 étoiles et Shakti environ 1 700 étoiles, et il reste probablement beaucoup d’autres étoiles à découvrir.

Shiva et Shakti sont « deux ajouts fascinants à la famille des mystères que nous accumulons dans les amas de la Voie lactée », explique Bob Benjamin, astronome à l’Université du Wisconsin-Whitewater, qui n’a pas été impliqué dans la découverte mais dans ses recherches. Se concentre sur la structure de la Voie Lactée. « Il y a un grand enthousiasme autour de cette idée car nous pouvons maintenant voir de très nombreux morceaux de la galaxie avec leurs propres histoires individuelles se réunir pour créer la galaxie que nous connaissons et aimons. »

Messages mitigés

Les étoiles de Shiva et de Shakti orbitent sur des « orbites tout à fait uniques » autour de la Voie lactée qui diffèrent des étoiles laissées par d’autres fusions de galaxies, explique Khyati Malhan de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) en Allemagne, qui a dirigé la découverte. Bien qu’ils soient les restes de deux galaxies distinctes, la composition chimique des deux amas d’étoiles est assez similaire, ce qui indique que leurs galaxies mères étaient également denses, explique Malhan.

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Malhan et son collègue Hans-Walter Rex du MPIA ont découvert les étoiles en analysant les données envoyées par l’Observatoire européen Gaia, qui cartographie les mouvements et les spectres de millions d’étoiles dans notre galaxie. Il décrit le duo Shiva et Shakti un peu plus loin dans un article publié en mars dans la revue Journal d’astrophysique.

Pour reconstituer l’histoire de notre galaxie, les astronomes classent généralement les étoiles en deux groupes : celles nées à l’intérieur de notre galaxie et celles à l’extérieur de notre galaxie qui ont été absorbées par les puissantes forces de marée de notre galaxie. Les deux groupes ont généralement des compositions chimiques distinctes. Les étoiles in situ comme celles qui habitent le disque de notre galaxie sont riches en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, dont le fer. Ces éléments se forment lorsque les étoiles sont « bien cuites sous pression » dans l’environnement dense de notre galaxie, explique Malhan. En revanche, les étoiles ex situ telles que celles dispersées dans la couronne relativement clairsemée ne contiennent pas de grands réservoirs de métaux lourds.

Étonnamment, les données de Gaia montrent que Shiva et Shakti manquent de fer, ce qui suggère qu’ils sont nés en dehors de notre galaxie et ont ensuite fusionné, mais qu’ils sont riches en d’autres éléments lourds généralement attribués aux étoiles locales. « C’est là que Shiva et Shakti nous envoient des signaux mitigés », dit Malhan. La précision cosmique a brouillé la véritable origine de ces étoiles, ce qui a pour effet d’améliorer notre compréhension des débuts de l’histoire de la Voie Lactée.

«Ils présentent un casse-tête intéressant», explique Benjamin. « En tant que scientifique, j’aime cette partie car elle signifie que nous avons des débats. »

Les étoiles nouvellement découvertes sont peut-être nées sur place, puis déplacées des profondeurs de notre galaxie vers leur site de découverte à environ 26 000 années-lumière du centre. Cela serait dû à la bande centrale de la Voie lactée, la structure dense de plusieurs milliers d’années-lumière qui relie les bras spiraux de la galaxie. Tout comme un ventilateur rotatif pousse les molécules d’air dans des poches denses, la barre tourbillonnante de notre galaxie « saisit » les étoiles, les rassemblant en amas bondés. Le « bar trapping », qui piège les étoiles sur des orbites en harmonie avec les orbites des barres, explique la chimie observée des nouvelles étoiles « assez simplement et facilement », explique l’astronome Vasiliy Belokurov de l’Université de Cambridge, qui étudie la formation des galaxies ( même s’il n’en était pas un). Participation à la nouvelle étude). « La bande aide : elle fait ressortir ces étoiles et nous les présente en quelque sorte. »

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Si les étoiles ne sont qu’un artefact de la rotation de la barre, Malhan et Rex soutiennent que la chimie des nouvelles étoiles devrait être similaire aux débris d’une autre fusion de galaxies appelée Gaia-Sausage-Encelade d’il y a 10 milliards d’années, dont les restes représente un amas de galaxies. Des étoiles bleues dans le halo de notre galaxie. « Jusqu’à présent, cela ne semble pas être le cas », déclare Malhan.

«Le temps nous le dira», dit Benjamin. « Pour les raisons qu’ils ont données, je pense qu’ils ont la bonne explication. »

Cependant, tout le monde n’est pas convaincu que les débris du GSE constituent une comparaison précise avec les nouvelles étoiles. Belokurov souligne que les étoiles restantes de la fusion GSE ne passent pas de temps près du centre de la Voie lactée, où elles pourraient interagir avec sa barre, donc « elles ne peuvent pas vraiment être piégées », dit-il. « Une fois que vous réalisez cela, cela fait pencher la balance dans l’autre sens. »

Bien que Belokurov applaudisse la transparence de l’équipe en soulignant des alternatives à l’explication principale, il existe « une confusion de leur part quant à ce à quoi devrait ressembler la chimie de ces structures centrales si elles faisaient partie de la couronne piégée et tournée par la barre », dit-il. . .

Les données provenant du vaisseau spatial Gaia, dont le lancement est prévu début 2026, incluront des étoiles faibles et fourniront plus de détails sur l’origine de Shiva et Shakti. Même si les nouvelles étoiles finissent par ne pas être représentatives de la façon dont la Voie Lactée s’est formée, elles pourraient quand même révéler des indices intéressants sur la façon dont elle a évolué au fil des éons, dit Benjamin. « Pour moi, c’est tout aussi excitant. »

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L’archéologie hongroise à travers les yeux de Gaia

Au cours d’entretiens, Benjamin, Malhan et d’autres astronomes ont loué à plusieurs reprises le vaisseau spatial Gaia pour son poids révolutionnaire dans le déchiffrement de l’histoire de notre galaxie. Malhan souligne qu’il y a à peine dix ans, la première fusion connue avec notre Voie lactée a eu lieu il y a 6 milliards d’années, lorsque la galaxie naine du Sagittaire est tombée dans notre galaxie. Précisément Cartographie des étoiles par Gaia Cependant, à partir d’étoiles de plus en plus faibles, les astronomes ont découvert en 2019 des débris issus d’une fusion GSE il y a 10 milliards d’années. La prétendue infusion de Shiva et Shakti révélée par Gaia il y a 12 milliards d’années ramène les astronomes dans le temps.

« C’est comme si quelqu’un disait : ‘Nous allons vous offrir chaque année une nouvelle paire de lunettes, qui amélioreront votre vision chaque année' », explique Benjamin. « Pense à quel point tu es excité. »

« Tous les outils et les connaissances que nous appliquons aujourd’hui existaient dans une certaine mesure il y a dix ans », ajoute Malhan. Cependant, les données de Gaia fournissent les vues les plus claires à ce jour de notre galaxie remontant à ses tout premiers débuts, dit-il. « C’est grâce à Gaia. »

Bien sûr, notre Voie lactée n’est pas la seule galaxie à avoir l’habitude de cannibaliser ses plus petits membres. Les astronomes savent grâce aux simulations cosmologiques que chaque galaxie évolue – et parfois se déchire – à travers des fusions qui se produisent sur des milliards d’années. Cependant, la rapidité avec laquelle une galaxie grandit ou meurt dépend en grande partie de facteurs exclusifs à sa situation dans notre univers, tels que la dispersion de son habitat avec d’autres galaxies.

« Chaque galaxie a sa propre histoire », explique Benjamin. « Mais ce qui est spécial dans notre galaxie, c’est que nous pouvons reconstituer son histoire. »

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