Прогрессивные материалы для устройств

4 марта 2021

Сибирские исследователи предсказали двумерный сверхпроводящий органический полимер. Он будет применяться в квантовых компьютерах.

Специалисты из Сибирского федерального университета вошли в состав международной группы. Вместе с коллегами они изучили двумерные полимеры на основе тетраоксо[8]циркулена и атомов s-металлов таблицы Менделеева через квантово-химическое моделирование. В результате исследовани они выяснили, что модификация поверхности полимера тетраоксо[8]циркулена атомами кальция приводит к возникновению сверхпроводимости при температуре ниже 14,5 К. Также формируется возможная реализация двухуровневой системы на атомах Ca. Она перспективна в построении квантовых битов и в последующей реализации в квантовых компьютерах. Работа ученых опубликована в журнале Nanoscale.

Необходимость разработки новых материалов с уникальными свойствами обусловлена прогрессом в создании современных устройств. Так, использование органических мономеров для создания двумерных листов (полимеров) дает возможность гибко проектировать и оптимизировать функциональные устройства. Это связано с тем, что свойства таких структур зависят от нескольких параметров: от типа выбранного мономера, от способа связывания мономеров в полимер и от размера полученного материала. Кроме того, материалы обладают дополнительным преимуществом — они эластичнее, чем более хрупкие неорганические листы. Пористые органические полимеры позволяют равномерно внедрять атомы металла в свою структуру. Это позволяет расширить их функциональные характеристики. Специалисты помещали в поры полимера атомы различных s-металлов и изучали свойства таких наноструктур.

«Наиболее интересные свойства были обнаружены при модификации полимера атомами кальция, в котором удалось реализовать уникальное квантовое состояние (S = ½), что делает такие материалы перспективным для создания элементов квантовых компьютеров — кубитов. Одним из ключевых параметров при построении магнитных кубитов является время жизни квантовой суперпозиции состояний, которое строго зависит от спинового состояния. Материалы с активными центрами в спиновом состоянии S = ½ считаются наиболее перспективными» — говорит Людмила Бегунович, сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ.

Ученые объясняют преимущества использования в качестве кубитов металлорганического полимера. Они заключаются в том, что в отличии от традиционно предлагаемых молекулярных магнитов (металлоорганических молекул c магнитными свойствами), которые должны быть точно и упорядочено расположены на подложке, активные центры (атомы кальция) равномерно и равноудаленно встроены в структуру полимера. Это значительно упрощает их использование в создании устройств. Также полимеры обладают сверхпроводимостью с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние 14,5 К.

«Сочетание сверхпроводимости и потенциально большого времени жизни состояния спиновой суперпозиции в кальции делает данный материал особенно перспективным для применения в области обработки квантовой информации. Мы ожидаем, что сверхпроводимость может быть реализована в других ковалентных органических полимерах через механизм легирования, как это было сделано ранее в многочисленных углеродных и углеводородных кристаллах. Сверхпроводники, изготавливаемые на основе металлорганических полимеров, обещают быть дешевле в производстве по сравнению с существующими сверхпроводниками на основе чистых металлов, сплавов и керамики, а реализация квантовых битов проще и элегантнее» — говорит руководитель исследования Артём Куклин.

Источник: https://scientificrussia.ru/news/progressivnye-materialy-dlya-ustroistv