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Count the links. In a molecular chain of a few units, one more or one less is enough to decide whether the chain interacts with a superconductor at all. Researchers at the CIC nanoGUNE research center, with chemists from the University of Santiago de Compostela, have shown it on a surface at the atomic scale, and they report the result in the journal Nature.
Conte as ligações. Numa cadeia molecular de algumas unidades, mais uma ou menos uma basta para decidir se a cadeia interage, ou não, com um supercondutor. Investigadores do centro de investigação CIC nanoGUNE, com químicos da Universidade de Santiago de Compostela, demonstraram-no numa superfície à escala atómica, e apresentam o resultado na revista Nature.
The chains are built from triangulenes, small triangular fragments of graphene that each host a spin, a tiny magnetic moment, equal to 1. When these units couple, their spins combine into a collective quantum state known as the Haldane phase, a theory put forward more than four decades ago. A chain made of integer-spin units has a notable property: it carries fractional spin states of 1/2 at both ends. The team wanted to see what happens when those ends meet a superconductor, a material that conducts electricity without resistance once it is cooled into its superconducting state.
As cadeias são construídas a partir de triangulenos, pequenos fragmentos triangulares de grafeno que alojam cada um um spin, um minúsculo momento magnético igual a 1. Quando estas unidades se acoplam, os seus spins combinam-se num estado quântico coletivo conhecido como fase de Haldane, uma teoria apresentada há mais de quatro décadas. Uma cadeia formada por unidades de spin inteiro tem uma propriedade notável: transporta estados de spin fracionário de 1/2 em ambas as extremidades. A equipa queria ver o que acontece quando essas extremidades encontram um supercondutor, um material que conduz eletricidade sem resistência depois de arrefecido até ao seu estado supercondutor.
The difficulty was the surface itself. Gold is the best platform for building these carbon structures through on-surface synthesis, but gold does not superconduct. Niobium does, but its chemical environment does not support that kind of synthesis. The team's answer was to grow a gold film 25 to 30 atomic layers thick on a niobium crystal. The gold takes on superconductivity through its proximity to the niobium, and keeps its own chemistry, so the molecules can be built on a surface that behaves as a superconductor.
A dificuldade estava na própria superfície. O ouro é a melhor plataforma para construir estas estruturas de carbono através da síntese em superfície, mas o ouro não é supercondutor. O nióbio é, mas o seu ambiente químico não permite esse tipo de síntese. A solução da equipa foi fazer crescer um filme de ouro com 25 a 30 camadas atómicas de espessura sobre um cristal de nióbio. O ouro adquire supercondutividade pela sua proximidade ao nióbio e mantém a sua própria química, pelo que as moléculas podem ser construídas sobre uma superfície que se comporta como supercondutora.
With tunneling microscopy and spectroscopy, the researchers measured the chains one by one and found a clear parity effect. In chains of an odd number of triangulenes, they saw a characteristic sign of interaction between a magnetic moment and the superconducting state. In chains of an even number, that sign vanished. The number of units, not the material alone, decides the coupling. For anyone building molecular devices, that means the interaction can be set during synthesis, one unit at a time.
Com a microscopia e a espectroscopia de efeito túnel, os investigadores mediram as cadeias uma a uma e encontraram um claro efeito de paridade. Nas cadeias com um número ímpar de triangulenos, observaram um sinal característico de interação entre um momento magnético e o estado supercondutor. Nas cadeias de número par, esse sinal desapareceu. O número de unidades, e não apenas o material, determina o acoplamento. Para quem constrói dispositivos moleculares, isto significa que a interação pode ser definida durante a síntese, uma unidade de cada vez.
For the field, the gain is a way to switch the coupling on or off by design. The lead researcher, Nacho Pascual, of CIC nanoGUNE, notes that magnetic molecules are candidates for quantum bits, and that a superconductor could both read them and shield them from noise, provided their interaction can be controlled; the study shows one way to do that. The team presents the work as a platform for exploring how magnetic states and topological phases interact with a superconductor, molecule by molecule. It points toward future sensors and quantum technologies. It does not give a timeline, and these results remain laboratory measurements that have not been turned into devices.
Para o domínio, o ganho está na possibilidade de ligar ou desligar o acoplamento por conceção. O investigador principal, Nacho Pascual, do CIC nanoGUNE, observa que as moléculas magnéticas são candidatas a bits quânticos e que um supercondutor poderia tanto ler essas moléculas como protegê-las do ruído, desde que a sua interação possa ser controlada; o estudo mostra uma forma de o fazer. A equipa apresenta o trabalho como uma plataforma para explorar como os estados magnéticos e as fases topológicas interagem com um supercondutor, molécula a molécula. Aponta para futuros sensores e tecnologias quânticas. Não avança qualquer prazo, e estes resultados continuam a ser medições de laboratório que ainda não se transformaram em dispositivos.