Органическая химия изучает соединения углерода, и именно она лежит в основе всего живого на Земле. Но не думайте, что жизнь строится только из «легких» атомов. Тяжелые металлы тоже играют в биохимических процессах ключевую первую скрипку. Чтобы подружить крупные атомы металлов с легкими органическими молекулами, природа придумала особые структуры — порфирины. Эти молекулы сворачиваются в кольцо, и в самый его центр, как в якорную стоянку, можно посадить ион металла: железо, кобальт, магний или другой.

Каркас из порфирина — это основа гемоглобина в нашей крови, хлорофилла в растениях и множества ферментов. Поймает порфирин один металл — получим одни свойства, поймает другой — свойства изменятся до неузнаваемости. Ученые и инженеры-материаловеды давно точат зубы на эту природную гибкость, мечтая использовать порфирины в молекулярной электронике.

Но даже для молекулярных приборов действует простое правило: чтобы работало — соединяй. Как припаять провод к одной-единственной молекуле? Задача почти невыполнимая. Однако исследователям из лаборатории Empa это удалось. Вместе с коллегами-синтетиками из Института исследования полимеров Общества Макса Планка они прикрепили порфирины к графеновой наноленте. Прикрепили идеально точно, словно собрали конструктор.

Итоги этой тонкой работы только что опубликовали в престижном журнале Nature Chemistry.

В роли «провода» выступила графеновая нанолента — длинная и узкая полоска знаменитого углеродного материала графена. Ее ширина и форма краев определяют все: будет ли она проводить ток, как именно и появится ли у нее магнетизм. Ученые использовали ленту шириной всего в один нанометр с особыми „зигзагообразными“ краями. Вдоль этих краев они и рассадили молекулы порфиринов через строго равные промежутки, по очереди: слева, справа, снова слева.

Наш графеновый «провод» из-за своих зигзагообразных краев проявляет необычный магнетизм, — объясняет Фейфей Сян, автор исследования. — Атомы металла в порфиринах тоже магнитны, но по-другому, более привычно для нас.

Разница в том, где находятся электроны, отвечающие за спин (магнитный момент). В металлическом центре они сидят на месте, привязанные к атому. А в графеновой ленте такие электроны «размазываются» вдоль обоих краев. Связав порфирины с графеном, нам удалось соединить оба типа магнетизма в одной системе, — добавляет соавтор работы Оливер Грёнинг.

Эта связка открывает перед молекулярной электроникой широченные горизонты.

Графеновая лента здесь выступает и как электрический, и как магнитный проводник — настоящий наноразмерный кабель, соединяющий порфирины. А согласованный магнетизм таких лент считают очень перспективным для квантовых технологий, где спин будет играть роль носителя информации.

Наша графеновая лента с нашитыми на нее порфиринами может работать как цепочка связанных кубитов, — мечтает руководитель лаборатории Роман Фазель.

Но чудеса на этом не заканчиваются. Порфирины — это еще и природные красители, вспомните хотя бы цвет крови или травы. Для ученых это означает, что они оптически активны, то есть взаимодействуют со светом. А оптика — это прекрасный способ влиять на электронные и магнитные свойства таких молекулярных цепочек и считывать с них информацию. Представьте себе гирлянду из молекул: порфирины могут испускать свет, и его цвет будет чуть-чуть меняться в зависимости от магнитного состояния всей системы. По этим тонким изменениям оттенка мы и сможем считывать данные.

Можно и наоборот: подсветить порфирины лазером и тем самым изменить проводимость и магнетизм графеновой основы. А еще эти молекулы могут стать суперчувствительными датчиками. К порфиринам легко прикрепить разные химические группы, и если такая группа поймает нужное вещество, это сразу скажется на проводимости ленты.

По сути, мы собрали конструктор, с помощью которого можно настраивать самые разные свойства материала, — говорит Фазель.

В ближайших планах ученых — поэкспериментировать с разными металлами в центре порфиринов и посмотреть, что изменится. А еще они хотят взять графеновую ленту пошире, чтобы у электронной системы стало еще больше возможностей.

Конечно, собрать такую «гирлянду» невероятно сложно. Партнеры из Института Макса Планка смогли создать молекулы-заготовки: порфириновый центр с аккуратно пристроенными к нему углеродными колечками в строго определенных местах. Потом эти сложные молекулы несколько часов „пекут“ при температуре в несколько сотен градусов в условиях сверхвысокого вакуума на золотой поверхности — она служит противнем. Только так можно получить эти наноструктуры с точностью до атома. Сейчас команда Empa при поддержке Фонда Вернера Сименса работает над тем, чтобы превратить эти удивительные материалы во что-то полезное для реальных квантовых технологий.

Эта работа — инженерный трюк, который сдвигает нас с мертвой точки в нескольких направлениях сразу.

Мы получили чистую экспериментальную платформу. Раньше мы могли только моделировать на компьютере, как поведет себя система, где магнитные моменты «делокализованы» (размазаны по графеновой ленте) и „локализованы“ (заперты в атоме металла) и как они будут взаимодействовать. Теперь у нас есть реальный образец. Это как перейти от чтения нот к прослушиванию симфонии. Мы можем напрямую изучать квантовую запутанность в такой гибридной цепочке. Это чистый goldmine для физики конденсированного состояния и разработки теорий магнетизма на наноуровне.

Здесь горизонт планирования — 10–15 лет, но перспективы ослепительные.

• Квантовые компьютеры: самая жирная цель. Цепочка кубитов — это сердце любого квантового процессора. Сейчас их делают из сверхпроводников или ловят ионы. Это огромные установки размером с комнату. Наш же подход предлагает путь к миниатюризации. Если мы научимся управлять спинами в такой цепочке (записывать информацию) и считывать их состояние по изменению цвета порфиринов (читать информацию), мы получим готовый нанопроцессор.
• Медицинская диагностика: представьте себе зонд с одним таким «проводом». Мы можем функционализировать порфирин (пришить к нему „ловушку“ для конкретного вируса или маркера рака). Как только ловушка сработает, проводимость графена изменится. Электроника это мгновенно зафиксирует. Это путь к датчикам, способным ловить одну-единственную молекулу болезни в капле крови.
• Новые материалы: понимание того, как «пришить» функциональную молекулу к проводящей ленте, — это базовый навык. Освоив его, мы сможем создавать материалы с совершенно невообразимыми свойствами, которые невозможно получить обычным смешиванием компонентов.

Блестящая синтетическая работа, спору нет. Но давайте посмотрим правде в глаза: на данный момент это блестящая демонстрация скорее химического мастерства, чем прорыв в физике или материаловедении. Авторы показали, что могут собрать сложную структуру, но главный вопрос — «А что дальше?» — пока повисает в воздухе.

Исследование фактически останавливается на этапе «посмотрите, как красиво мы всё соединили». Измерения, подтверждающие „гибридный магнетизм“, проведены, но где доказательства контроля? Где демонстрация того, что мы можем переключать состояние этой системы? Где эксперименты по манипуляции спином?

Пока что мы имеем сложный конструктор, свойства которого мы просто наблюдаем, а не используем. Чтобы заявить о прорыве в квантовых технологиях, нужно показать, что эти кубиты можно когерентно контролировать. Нужно измерить время жизни спинового состояния (время декогеренции). Без этих данных разговоры о «цепочке кубитов» остаются на уровне красивой аналогии. Это как построить транзистор, но забыть подключить к нему провода и батарейку. Работа, безусловно, открывает дверь, но войти в эту дверь с реальным применением предстоит еще очень долго.

Ранее ученые заставили кубиты держать удар.