Veijo Hänninen

Kvantit, molekyylit ja kubitit

Yhä syvemmälle kvanttitekniikkaan mentäessä materiaalien kvanttiominaisuudet nousevat tieteilijöiden mielessä yhä tarkemman kiinnostuksen kohteeksi. Toisaalta myös molekylaarinen elektroniikka tukeutuu uusimpiin kvantti-ilmiöihin.

Michiganin, Regensburgin ja Marburgin yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet uuden työkalun, jossa valon avulla kartoitetaan kiteiden elektronisten rakenteita kvanttimekaniikan tasolla. Siten se voi paljastaa tulossa olevien kvanttimateriaalien kyvyt ja tasoittaa tietä edistyneille energiatekniikoille ja kvanttitietokoneille.

"Kvanttimateriaaleilla voi olla vaikutusta kvanttilaskennan lisäksi", sanoo Michiganin yliopiston professori Mackillo Kira, nimittäin "jos optimoit kvanttiominaisuudet oikein, saat 100 %:n hyötysuhteen valon absorptioon."

Piihin perustuvista aurinkokennojen muuntotehokkuus on vain noin 30 %. Kehittyvät 2D-puolijohteet voisivat tehdä sen paljon paremmin - mahdollisesti jopa 100 % auringonvalosta. Ne voisivat myös nostaa kvanttilaskennan huoneenlämpötilaan toistaiseksi osoitetuista lähes absoluuttisen nollan koneista.

"Uusia kvanttimateriaaleja löydetään nyt nopeammin kuin koskaan", kertoi kokeellista työtä johtanut Rupert Huber, Regensburgin professori. "Pinoamalla tällaiset kerrokset yksinkertaisesti päällekkäin muuttuvien kiertokulmien alla ja laajalla materiaalivalikoimalla tutkijat voivat nyt luoda keinotekoisia kiintoaineita, joilla on todella ennennäkemättömiä ominaisuuksia."

Kyky kartoittaa näiden ominaisuudet atomitasolle saakka voisi auttaa virtaviivaistamaan kvanttimateriaalien suunnitteluprosessia.

Kvanttimekaanisia materiaaleja syväluodaten

Uusimman tutkimustyön myötä nyt 2D-materiaaleja voidaan mitata uudella laserpohjaisella menetelmällä huoneen lämpötilassa ja paineessa.

Kvanttikartoitusmenetelmä käyttää sadan femtosekunnin punaista laservalopulssia elektronien potkaisemiseksi perustilasta johtumiskaistalle. Seuraavaksi elektroneihin osutaan toisella infrapunasäteellä. Tämä puskee niitä värähtelemään ylös ja alas johtavuuskaistan energialaaksossa.

Ryhmä käyttää elektronien aalto/hiukkasdualismia luodakseen kammalta näyttävän seisovan aaltokuvion. He havaitsivat, että kun tämän elektronikamman huippu menee päällekkäin materiaalin kaistarakenteen - sen kvanttirakenteen - kanssa, elektronit emittoivat valoa intensiivisesti. Tämä vahva valoemissio yhdessä kampalinjojen kapeuden kanssa auttoi luomaan kuvan niin teräväksi, että tutkijat kutsuivat sitä superresoluutioksi.

Yhdistämällä tarkat sijaintitiedot valon taajuuteen ryhmä pystyi kartoittamaan 2D-puolijohde volframidiselenidin kaistarakenteen. Lisäksi he saattoivat lukea kunkin elektronin kiertoradan kulmamomentin sen kautta, kuinka valoaallon etuosa kiertyi avaruudessa. Elektronin kiertoradanmomenttia, joka tunnetaan myös pseudospininä, manipulointi on lupaava tapa kvantti-informaation tallentamiseksi ja käsittelemiseksi.

Volframidiselenidissä kiertoradan kulmamomentti identifioi, mitkä kahdesta eri "laaksosta" elektroni miehittää. Elektronien lähettämät viestit voivat osoittaa tutkijoille paitsi sen missä laaksossa elektroni oli, myös sen, miltä laakson maisema näyttää ja kuinka kaukana laaksot ovat, mitkä ovat avaintekijöitä uusien puolijohdepohjaisten kvanttilaitteiden suunnittelussa.

Esimerkiksi, kun ryhmä käytti laseria elektronien työntämiseksi yhden laakson sivulta ylöspäin, kunnes ne putosivat toiseen, elektronit emittoivat valoa myös tässä pudotuskohdassa. Tuo valo antaa vihjeitä laaksojen syvyydestä ja niiden välisen harjanteen korkeudesta. Tämänkaltaisten informaation avulla tutkijat voivat selvittää, miten materiaali sopisi erilaisiin tarkoituksiin.

Transistoreita kemiallisesti

Tutkijat, joita johtaa Columbian professori Latha Venkataraman, raportoivat löytäneensä uuden kemiallisen suunnitteluperiaatteen vaimentavien kvantti-interferenssien hyödyntämiseksi.

He loivat kuuden nanometrin pituisen yksimolekyylisen kytkimen, jonka on-tilassa oleva virta on yli 10000 kertaa suurempi kuin off-tilan virta - suurin yksittäisen molekyylipiirin virtakytkentäsuhde.

Uusi kytkin perustuu tietyntyyppiseen kvantti-interferenssiin, jota ei ole toistaiseksi tutkittu. Tutkijat käyttivät pitkiä molekyylejä, joilla on erityinen keskiöyksikkö tehostamassa destruktiivisia kvantti-interferenssejä elektronisten energiatasojen välillä. He osoittivat, että heidän lähestymistapaansa voidaan käyttää tuottamaan erittäin vakaita ja toistettavia yksimolekyylisiä kytkimiä huonelämpötilassa, jotka voivat kuljettaa yli 0,1 mikroampeerin virtoja on-tilassa.

"Havaitsimme virrankulun kuusinanometrisen molekyylilangan yli, mikä on huomattavaa, koska sitä näin pitkien mittojen yli harvoin havaitaan", kertoi, sovelletun fysiikan professori Venkataraman. "Itse asiassa tämä on pisin molekyyli, jonka olemme koskaan mitanneet laboratoriossamme."

Nanometrien mitoilla elektronit käyttäytyvät aaltoina eikä hiukkasina ja tällöin elektronien kulkeutuminen tapahtuu tunneloinnin kautta. "Se, että elektronit käyttäytyvät aaltoina, on kvanttimekaniikan ydin", Venkataraman totesi.

Alhaalta ylöspäin

Molekyylitasolla kvanttimekaaniset vaikutukset hallitsevat elektronien kuljetusta. Tutkijat ovat pitkään ennustaneet, että kvantti-interferenssin tuottamien epälineaaristen vaikutusten pitäisi mahdollistaa yhden molekyylin kytkimet suurilla päälle/pois-suhteilla.

"Transistoreiden valmistaminen yksittäisistä molekyyleistä edustaa lopullista rajaa pienoiskoossa ja voi mahdollistaa eksponentiaalisesti nopeamman prosessoinnin vähentäen samalla virrankulutusta", toivoo Venkataraman.

Vakaiden yksimolekyylisten rakenteiden tuottamiseksi vaikeimpana haasteenaan oli käyttää kemiallisia suunnitteluperiaatteita molekyylipiirien luomiseen, joissa kvantti-interferenssivaikutukset voisivat tukahduttaa vahvasti virran off-tilassa, lieventämällä siten vuotokysymyksiä.

"Lyhyiden molekyylien virrankulkua on vaikea sammuttaa kokonaan, koska kvanttimekaaninen tunnelointi on todennäköisempää lyhyemmissä mittakaavoissa", kertoi tutkimuksen johtava kirjailija Julia Greenwald. ”Päinvastoin pätee pitkille molekyyleille, joissa on usein vaikea saavuttaa suuria virtoja, koska tunneloinnin todennäköisyys laajenee pituuden suhteen.

Suunnittelemamme piirit ovat ainutlaatuisia niiden pituuden ja suuren päälle/pois -suhteen vuoksi; pystymme nyt saavuttamaan sekä korkean on-tilan virran että erittäin matalan off-tilan virran."

Venkataramanin tiimi loi laitteensa käyttämällä pitkiä molekyylejä, jotka syntetisoi Peter Skabara ja hänen ryhmänsä Glasgow'n yliopistossa. Pitkät molekyylit on helppo vangita metallikosketinten välille yksimolekyylisten piirien luomiseksi.

Piirit ovat vakaita ja voivat toimia yli 1,5 V jännitteillä. Molekyylien elektroninen rakenne parantaa interferenssivaikutuksia, mikä mahdollistaa voimakkaan epälineaarisuuden virrassa käytetyn jännitteen funktiona, mikä johtaa erittäin suureen on- ja off-tilojen suhteeseen.

Tutkijat jatkavat työskentelyä Glasgow'n yliopiston ryhmän kanssa selvittääkseen, voidaanko heidän suunnittelun lähestymistapaansa soveltaa muilla molekyyleillä ja kehittääkseen järjestelmän, jossa kytkin voidaan laukaista ulkoisella herätteellä.

Vaikka kytkinmolekyylin pituus on samaa luokkaa kuin nykyelektroniikan hienoin viivaleveys, kyseessä on tutkijoiden mukaan erittäin jännittävä askel kohti materiaalien suunnittelua alhaalta ylöspäin käyttämällä molekyylirakenteita.

Kemistien luomia kubitteja

Kubitit valmistetaan usein samoista puolijohtavista materiaaleista kuin elektroniikkakin. Mutta Northwesternin ja Chicagon yliopiston kemisti- ja fyysikkoryhmä on kehittänyt menetelmän syntetisoida kemiallisesti molekyylejä, jotka koodaavat kvantti-informaatiota magneettisiksi eli "spin" -tiloiksi.

Tämäkin uusi alhaalta ylöspäin suuntautuva lähestymistapa voi viime kädessä johtaa kvanttijärjestelmiin, joilla on poikkeuksellista joustavuutta ja hallintaa, mikä auttaa tasoittamaan tietä seuraavan sukupolven kvanttiteknologialle. Se voisi auttaa myös integroimaan kvanttiteknologioita nykyisiin klassisiin tekniikoihin.

Joulukuu 2020