Kwantumtechnologie is veelbelovend, maar brengt ook veel complexiteit met zich mee. Verwacht wordt dat de kwantumtechnologie de komende decennia een reeks technologische ontwikkelingen met zich mee zal brengen, waardoor we compactere en nauwkeurigere sensoren, krachtigere en veiligere communicatienetwerken en computers met een grotere capaciteit zullen krijgen. Deze vooruitgang zal de mogelijkheden van de huidige computertechnologieën te boven gaan, waardoor nieuwe medicijnen en materialen snel kunnen worden ontwikkeld, de financiële markten onder controle kunnen worden gehouden en de weersvoorspellingen kunnen worden verbeterd.
Om deze voordelen te realiseren hebben we zogenaamde kwantummaterialen nodig, die aanzienlijke kwantumfysische effecten vertonen. Grafeen is zo’n materiaal. Deze tweedimensionale structurele vorm van koolstof heeft ongebruikelijke fysische eigenschappen, zoals ultrahoge treksterkte, thermische en elektrische geleidbaarheid en bepaalde kwantumeffecten. Door dit toch al tweedimensionale materiaal verder te beperken, bijvoorbeeld door het een lintachtige vorm te geven, ontstaat een reeks controleerbare kwantumeffecten.
Dit is precies wat het team van Mickael Perrin in hun werk exploiteert: wetenschappers van Empa's Laboratory of Nanointerfacial Transport, onder leiding van Michel Calame, hebben al jaren onderzoek gedaan naar grafeen-nanolinten. "Grafeen nanolinten zijn zelfs nog fascinerender dan grafeen zelf", legt Perrin uit. "Door de lengte en breedte van grafeen-nanolinten en de vorm van hun randen te veranderen en andere atomen toe te voegen, kun je ze een verscheidenheid aan elektrische, magnetische en optische eigenschappen geven."
Extreem nauwkeurig - tot op één enkel atoom
Het bestuderen van veelbelovende nanolinten is geen gemakkelijke taak. Hoe smaller het nanolint, hoe uitgesprokener de kwantumeigenschappen ervan, maar het is ook moeilijker om tegelijkertijd individuele nanolinten te verkrijgen. Dit is nodig om de unieke eigenschappen en mogelijke toepassingen van dit kwantummateriaal te begrijpen en deze te onderscheiden van collectieve effecten.
In een nieuwe studie die onlangs in het tijdschrift Nature Electronics is gepubliceerd, heeft Perrin en Empa-onderzoeker Jian Zhang, samen met een internationaal team, voor het eerst met succes toegang gekregen tot individuele lange, atomair nauwkeurige grafeen nanolinten. Zhang Jian zei: "De breedte van grafeen-nanolinten, die slechts 9 koolstofatomen breed zijn, is slechts 1 nanometer. Om ervoor te zorgen dat slechts één nanolint in contact komt, gebruikten de onderzoekers elektroden van vergelijkbare grootte: de koolstofnanobuisjes die ze gebruikten hadden ook slechts een diameter van 1 nanometer."
Voor zo'n uitgebreid experiment is precisie essentieel. De eerste is het bronmateriaal. De onderzoekers verkregen de grafeen-nanolinten door langdurige en nauwe samenwerking met Empa's nanotech@Surfaces-laboratorium onder leiding van Roman Fasel. "Roman Fasel en zijn team hebben lang gewerkt aan grafeen nanolinten en kunnen veel verschillende soorten grafeen nanolinten synthetiseren met atomaire precisie uit één enkel precursormolecuul", legt Perrin uit. De voorlopermoleculen waren afkomstig van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz.
Zoals vaak nodig is om technologische vooruitgang te stimuleren, is interdisciplinariteit van cruciaal belang, en er zijn verschillende internationale onderzoeksgroepen bij betrokken, die elk hun eigen expertise inbrengen: de koolstofnanobuisjes werden gekweekt door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Peking, en om de resultaten te interpreteren werkten Empa-onderzoekers samen met computationele wetenschappers van de Universiteit van Warwick.
Het in contact brengen van individuele koolstofstrips met nanobuisjes vormt een enorme uitdaging voor onderzoekers. "Koolstofnanobuisjes en grafeen-nanolinten worden respectievelijk op verschillende substraten gekweekt", legt Zhang uit. "Eerst moeten de nanobuisjes worden overgebracht naar het substraat van het apparaat en in contact worden gebracht met metalen elektroden. Vervolgens snijden we ze met behulp van elektronenbundellithografie met hoge resolutie om ze in twee elektroden te scheiden. Ten slotte snijden we de nanobuisjes in twee elektroden." De tapes worden overgebracht naar hetzelfde substraat. Precisie is essentieel: zelfs de kleinste rotatie van het substraat verkleint de kans op succesvol contact aanzienlijk. Toegang hebben tot de hoogwaardige infrastructuur van het IBM Research Center Binnig en Rocher in Lüschlikon is cruciaal voor het testen en implementeren van deze technologie."
Van computers tot energieconverters
De wetenschappers bevestigden het succes van het experiment door middel van metingen van ladingsoverdracht. Omdat kwantumeffecten meestal duidelijker zijn bij lage temperaturen, hebben we metingen uitgevoerd in een hoogvacuümomgeving dichtbij het absolute nulpunt. Maar hij voegt er snel nog een bijzonder veelbelovende eigenschap aan toe: "Vanwege de extreem kleine omvang van deze nanolinten verwachten we dat hun kwantumeffecten zelfs bij kamertemperatuur zeer sterk en waarneembaar zullen zijn." Dit, zegt de onderzoeker, zal ons in staat stellen chips te ontwerpen en te exploiteren die kwantumeffecten actief benutten zonder de noodzaak van een complexe koelinfrastructuur.
Professor Hatef Sadeghi van de Universiteit van Warwick, die bij het project betrokken is, voegde hieraan toe: "Dit project maakt de realisatie mogelijk van een enkel nanolint-apparaat, dat niet alleen de studie van fundamentele kwantumeffecten mogelijk maakt, zoals hoe elektronen en fononen zich op nanoschaal gedragen, maar dit effect ook kan exploiteren voor toepassingen in kwantumschakeling, kwantumdetectie en kwantumenergieconversie."
Grafeen nanolinten zijn nog niet klaar voor commerciële toepassingen en er moet nog veel onderzoek worden gedaan. In vervolgonderzoek willen Zhang en Perrin verschillende kwantumtoestanden op één nanostrip manipuleren. Daarnaast zijn ze van plan apparaten te maken op basis van twee in serie verbonden nanolinten, die zogenaamde dubbele kwantumdots vormen. Dergelijke circuits kunnen dienen als qubits, de kleinste informatie-eenheden in kwantumcomputers. Daarnaast ontving Perrin onlangs een Starting Grant van de European Research Council (ERC) en een Sccellenza Professional Fellowship van de Swiss National Science Foundation (SNSF), waar hij van plan is nanolinten te gebruiken als efficiënte energieomzetters. In zijn inaugurele rede aan de ETH Zürich schetste hij een wereld waarin we temperatuurverschillen zouden kunnen benutten om elektriciteit op te wekken, terwijl we bijna geen warmte-energie verliezen - een echte kwantumsprong.
internationale samenwerking
Verschillende onderzoeksgroepen hebben belangrijke bijdragen geleverd aan het project. De grafeen-nanolinten werden gekweekt door het Empa Nanotechnology@Surface Laboratory, geleid door Roman Fasel, uit voorlopermoleculen geleverd door de groep van Klaus Müllen aan het Max-Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz.
Deze nanolinten werden geïntegreerd in nanofabricage-apparaten door leden van Empa's Laboratory of Nanoscale Interfacial Transport, geleid door Michel Calame, waartoe ook de onderzoeksgroep van Mickael Perrin behoorde. De nauwkeurig gerangschikte, hoogwaardige koolstofnanobuisjes die voor dit specifieke onderzoek nodig zijn, zijn geleverd door de onderzoeksgroep van Zhang Jin aan de Universiteit van Peking. Om de bevindingen ten slotte te interpreteren, werkten Empa-onderzoekers samen met computationele wetenschappers van de Universiteit van Warwick, onder leiding van Hatef Sadeghi.