Wetenschappers experimenteren met smalle stroken grafeen, nanolinten genoemd, in de hoop coole nieuwe elektronische apparaten te maken, maar de Universiteit van Californië, Berkeley-wetenschappers hebben een andere mogelijke rol voor hen ontdekt:als elektronenvallen op nanoschaal met mogelijke toepassingen in kwantumcomputers.

grafeen, een vel koolstofatomen gerangschikt in een stijve, honingraatrooster dat lijkt op kippengaas, heeft zijn eigen interessante elektronische eigenschappen. Maar wanneer wetenschappers een strook van minder dan ongeveer 5 nanometer breed afsnijden - minder dan een tienduizendste van de breedte van een mensenhaar - krijgt het grafeen nanolint nieuwe kwantumeigenschappen, waardoor het een potentieel alternatief is voor siliciumhalfgeleiders.

UC Berkeley-theoreticus Steven Louie, een professor in de natuurkunde, voorspelde vorig jaar dat het samenvoegen van twee verschillende soorten nanolinten een uniek materiaal zou kunnen opleveren, een die enkele elektronen immobiliseert op de kruising tussen lintsegmenten.

Om dit te realiseren, echter, de elektronen "topologie" van de twee nanoribbon stukken moet verschillend zijn. Topologie verwijst hier naar de vorm die zich voortplantende elektronentoestanden aannemen als ze kwantummechanisch door een nanolint bewegen, een subtiele eigenschap die tot de voorspelling van Louie in grafeen-nanoribbons was genegeerd.

Twee van Louie's collega's, scheikundige Felix Fischer en natuurkundige Michael Crommie, raakte opgewonden door zijn idee en de mogelijke toepassingen van het vangen van elektronen in nanolinten en werkte samen om de voorspelling te testen. Samen waren ze in staat om experimenteel aan te tonen dat knooppunten van nanoribbons met de juiste topologie bezet zijn door individuele gelokaliseerde elektronen.

Een nanolint gemaakt volgens Louie's recept met afwisselende lintstroken van verschillende breedtes, het vormen van een nanoribbon superrooster, produceert een conga-lijn van elektronen die kwantummechanisch op elkaar inwerken. Afhankelijk van de afstand tussen de strips, het nieuwe hybride nanolint is ofwel een metaal, een halfgeleider of een keten van qubits, de basiselementen van een kwantumcomputer.

"Dit geeft ons een nieuwe manier om de elektronische en magnetische eigenschappen van grafeen nanoribbons te controleren, " zei Crommie, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde. "We hebben jarenlang de eigenschappen van nanolinten veranderd met behulp van meer conventionele methoden, maar spelen met hun topologie geeft ons een krachtige nieuwe manier om de fundamentele eigenschappen van nanolinten te wijzigen waarvan we tot nu toe nooit vermoedden dat ze bestonden."

Louie's theorie houdt in dat nanoribbons topologische isolatoren zijn:ongebruikelijke materialen die isolatoren zijn, dat is, niet-geleidend in het interieur, maar metalen geleiders langs hun oppervlak. De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 werd toegekend aan drie wetenschappers die voor het eerst de wiskundige principes van de topologie gebruikten om vreemde, kwantumtoestanden van materie, nu geclassificeerd als topologische materialen.

Driedimensionale topologische isolatoren geleiden elektriciteit langs hun zijden, vellen 2-D topologische isolatoren geleiden elektriciteit langs hun randen, en deze nieuwe 1D nanoribbon topologische isolatoren hebben het equivalent van nuldimensionale (0D) metalen aan hun randen, met het voorbehoud dat een enkel 0D-elektron op een lintovergang in alle richtingen is opgesloten en nergens heen kan. Als een ander elektron op dezelfde manier in de buurt zit, echter, de twee kunnen tunnelen langs het nanolint en elkaar ontmoeten via de regels van de kwantummechanica. En de spins van aangrenzende elektronen, als de afstand precies goed is, moeten verstrikt raken, zodat het aanpassen van de ene invloed heeft op de andere, een functie die essentieel is voor een kwantumcomputer.

De synthese van de hybride nanoribbons was een moeilijke prestatie, zei Fischer, een UC Berkeley hoogleraar scheikunde. Hoewel theoretici de structuur van veel topologische isolatoren kunnen voorspellen, dat betekent niet dat ze in de echte wereld kunnen worden gesynthetiseerd.

"Hier heb je een heel eenvoudig recept voor het creëren van topologische toestanden in een materiaal dat zeer toegankelijk is, " zei Fischer. "Het is gewoon organische chemie. De synthese is niet triviaal, toegekend, maar we kunnen het. Dit is een doorbraak in die zin dat we nu kunnen gaan nadenken over hoe we dit kunnen gebruiken om nieuwe, ongekende elektronische structuren."

De onderzoekers zullen hun synthese rapporteren, theorie en analyse in het nummer van 9 augustus van het tijdschrift Natuur . Louie, Fischer en Crommie zijn ook faculteitswetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Nanolinten aan elkaar breien

Louie, die gespecialiseerd is in de kwantumtheorie van ongebruikelijke vormen van materie, van supergeleiders tot nanostructuren, authored a 2017 paper that described how to make graphene nanoribbon junctions that take advantage of the theoretical discovery that nanoribbons are 1D topological insulators. His recipe required taking so-called topologically trivial nanoribbons and pairing them with topologically non-trivial nanoribbons, where Louie explained how to tell the difference between the two by looking at the shape of the quantum mechanical states that are adopted by electrons in the ribbons.

Fischer, who specializes in synthesizing and characterizing unusual nanomolecules, discovered a new way to make atomically precise nanoribbon structures that would exhibit these properties from complex carbon compounds based on anthracene.

Working side by side, Fischer's and Crommie's research teams then built the nanoribbons on top of a gold catalyst heated inside a vacuum chamber, and Crommie's team used a scanning tunneling microscope to confirm the electronic structure of the nanoribbon. It perfectly matched Louie's theory and calculations. The hybrid nanoribbons they made had between 50 and 100 junctions, each occupied by an individual electron able to quantum mechanically interact with its neighbors.

"When you heat the building blocks, you get a patchwork quilt of molecules knitted together into this beautiful nanoribbon, " Crommie said. "But because the different molecules can have different structures, the nanoribbon can be designed to have interesting new properties."

Fischer said that the length of each segment of nanoribbon can be varied to change the distance between trapped electrons, thus changing how they interact quantum mechanically. When close together the electrons interact strongly and split into two quantum states (bonding and anti-bonding) whose properties can be controlled, allowing the fabrication of new 1D metals and insulators. When the trapped electrons are slightly more separated, echter, they act like small, quantum magnets (spins) that can be entangled and are ideal for quantum computing.

"This provides us with a completely new system that alleviates some of the problems expected for future quantum computers, such as how to easily mass-produce highly precise quantum dots with engineered entanglement that can be incorporated into electronic devices in a straightforward way, " Fischer said.

Co-lead authors of the paper are Daniel Rizzo and Ting Cao from the Department of Physics and Gregory Veber from the Department of Chemistry, along with their colleagues Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao and Henry Rodriguez. Fischer and Crommie are both members of the Kavli Energy NanoSciences Institute at UC Berkeley and Berkeley Lab.