Hiilipohjaista kvanttitekniikkaa

Kaksiulotteisen materiaalin rajoittaminen entisestään, esimerkiksi antamalla sille nauhamainen muoto, synnyttää joukon ohjattavia kvanttiefektejä. Esimerkiksi grafeenin nanonauhoilla on erinomaiset ominaisuudet, joita voidaan hallita tarkasti.

Jo useiden vuosien ajan tutkijat ovat tehneet Empan Mickael Perrinin johdolla tutkimusta grafeeninanonauhoista.

"Grafeenin nanonauhat ovat vielä kiehtovampia kuin grafeeni itse", Perrin selittää. "Vaihtelemalla niiden pituutta ja leveyttä sekä niiden reunojen muotoa ja lisäämällä niihin muita atomeja, voit antaa niille kaikenlaisiasähköisiä, magneettisia ja optisia ominaisuuksia."

Lupaavien nauhojen tutkiminen ei kuitenkaan ole helppoa. Mitä kapeampi nauha, sitä selvempiä sen kvanttiominaisuudet ovat – mutta on myös vaikeampaa päästä käsiksi yksittäiseen nauhaan kerrallaan.

Uudessa tutkimustyössä Perrin ja Jian Zhang ovat yhdessä kansainvälisen ryhmän kanssa onnistuneet ensimmäistä kertaa saamaan kontaktin yksittäisiin pitkiin ja atomisesti tarkkoihin grafeeninanonauhoihin.

Ei triviaali tehtävä: "Vain yhdeksän hiiliatomia leveä grafeeninanonauha on vain 1 nanometrin leveä", Zhang sanoo. Varmistaakseen, että vain yksi nanonauha joutuu kosketukseen, tutkijat käyttivät samankokoisia elektrodeja: He käyttivät hiilinanoputkia, jotka olvat myös halkaisijaltaan vain 1 nanometri.

Yksittäisten nauhojen kontaktoiminen nanoputkien avulla oli tutkijoille huomattava haaste. "Hiilinanoputket ja grafeeninanonauhat kasvatettiin eri substraateilla ja ensin nanoputket siirrettiin laitealustaan ja saatettiin kosketukseen metallielektrodien avulla. Sitten ne leikattiin kahdeksi elektrodiksi. Lopuksi nauhat siirretiin samalle alustalle.

Tutkijat vahvistivat kokeilunsa onnistumisen varauksensiirtomittauksilla. "Koska kvanttivaikutukset ovat yleensä selvempiä matalassa lämpötilassa, suoritimme mittaukset lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa korkeassa tyhjiössä", Perrin selittää. Mutta hän lisää nopeasti, että näiden nanonauhojen äärimmäisen pienen koon vuoksi odotamme niiden kvanttivaikutusten olevan niin vahvoja, että ne ovat havaittavissa jopa huoneenlämpötilassa." Tutkijan mukaan tämä voisi antaa mahdollisuuden suunnitella ja käyttää siruja, jotka hyödyntävät aktiivisesti kvanttiefektejä ilman, että tarvitaan monimutkaista jäähdytysinfrastruktuuria.

"Tämä projekti mahdollistaa yksittäisten nanonauharakenteiden toteuttamisen, ei vain tutkia perustavanlaatuisia kvanttivaikutuksia, vaan myös hyödyntää näitä vaikutuksia kvanttikytkennän, kvanttitunnistuksen ja kvanttienergian muuntamisen sovelluksissa", lisää Hatef Sadeghi, Warwickin yliopiston professori, joka teki yhteistyötä projektin parissa.

Jatkotutkimuksessa Zhang ja Perrin pyrkivät manipuloimaan erilaisiakvanttitiloja yhdellä nanonauhalla. Lisäksi he suunnittelevat luovansa rakenteita, jotka perustuvat kahteen sarjaan kytkettyyn nauhaan, jotka muodostavat niin sanotun kaksoiskvanttipisteen. Tällainen piiri voisi toimia kubittina – kvanttitietokoneen pienimpänä informaatioyksikkönä.

Aiheesta aiemmin:

Grafeenipohjaisia kvanttipiirejä atomien tarkkuudella

Uusia vahvoja perusteita grafeenielektroniikalle