Medzinárodný tím vedcov vyvíja grafénové nanopásiky s potenciálnym využitím pri vývoji kvantových technológií.
Výskumníci z inštitútu Empa a ich medzinárodný tím úspešne pripojili elektródy z uhlíkových nanorúrok k jednotlivým nanopásikom. Zdroj: EMPA
Grafén, uhlíková mriežka hrubá len jeden atóm, považovaný za materiál budúcnosti, môže mať rôznu podobu, napríklad môže mať tvar malých kvantových bodiek alebo dlhých tenkých „nanopásikov“. Nanopásiky z grafénu majú mimoriadne vlastnosti, ktoré sa dajú precízne riadiť. Vedcom zo švajčiarskeho inštitútu EMPA, z Pekinskej univerzity a z Univerzity vo Warwicku sa po prvýkrát podarilo pripojiť elektródy na jednotlivé atomárne presné nanopásiky.
Uplatnenie v kvantovej technológii
Vedci svojím výskumom pripravujú presnú charakteristiku „zázračných pásikov“ a ich možné uplatnenie v kvantovej technológii. Očakávajú, že im kvantová technológia v nasledujúcich desaťročiach prinesie technologické objavy, ako sú menšie a presnejšie senzory, vysokobezpečné komunikačné siete a výkonné počítače, ktoré pomôžu vyvinúť nové lieky a materiály, riadiť finančné trhy a predpovedať počasie v čo najkratšom čase.
Kontrolovateľné kvantové efekty
Podľa vedcov sú na to potrebné tzv. kvantové materiály: látky, ktoré vykazujú výrazné kvantové fyzikálne efekty. Jedným z takých materiálov je grafén. Táto dvojrozmerná štrukturálna forma uhlíka má nezvyčajné fyzikálne vlastnosti, napríklad mimoriadne vysokú pevnosť v ťahu, tepelnú a elektrickú vodivosť. Ak sa dvojrozmerný materiál ešte viac priestorovo obmedzí, napríklad tým, že bude mať tvar úzkych pásikov, vzniknú kontrolovateľné kvantové efekty.
Mickael L. Perrin vo svojom laboratóriu počas výskumu grafénových nanopásikov. Zdroj: Empa
Práve toto využíva tím Mickaela Perrina. V laboratóriu švajčiarskeho inštitútu Empa Transport at Nanoscale Interfaces, ktoré vedie Michel Calame, sa vedci z Perrinovho tímu zaoberajú výskumom grafénových nanopásikov. Zmenou ich dĺžky a šírky, ako aj tvaru ich hrán a pridaním ďalších atómov možno podľa Perrina získať všetky možné druhy elektrických, magnetických a optických vlastností. Grafénové nanopásky majú preto podľa neho obrovský potenciál.
„Grafénové nanopásiky sú ešte fascinujúcejšie ako samotný grafén.“ Mickael L. Perrin
Precízna práca do posledného atómu
Výskum sľubných pásikov nie je vždy jednoduchý. Čím je pásik užší, tým sú jeho kvantové vlastnosti výraznejšie, ale zároveň je o to ťažšie ho kontrolovať. Podľa vedcov je však práve toto nevyhnutné na to, aby do detailu pochopili zvláštnosti a možné využitie daného kvantového materiálu.
V nedávnej štúdii, ktorá bola uverejnená v časopise Nature Electronics, sa Perrinovi, Jianovi Zhangovi a zvyšku tímu podarilo po prvýkrát vytvoriť elektricky vodivý kontakt medzi jednotlivými dlhými, atomárne presnými grafénovými nanopásikmi. Podľa Zhanga nejde o triviálne zadanie: „Grafénový nanopásik, ktorý je široký iba deväť atómov uhlíka, meria na šírku len 1 nanometer.“ Na vytvorenie kontaktu medzi jednotlivých pásikmi použili vedci rovnako malé elektródy – uhlíkové nanorúrky s priemerom jeden nanometer.
Vlastnosti nanopásikov sa rôznia v závislosti od ich šírky a tvaru ich hrán. Na obrázku sú rôzne typy nanopásikov. Zdroj: EMPA
Interdisciplinárny výskum
Presnosť, ktorá je pre takýto experiment nevyhnutná, sa začína už pri východiskových materiáloch. Výskumníci získali grafénové nanopásiky z laboratória nanotech@surfaces inštitútu Empa pod vedením Romana Fasela, s ktorým dlhodobo spolupracujú. „Roman Fasel a jeho tím pracujú na grafénových nanopásikoch už dlho a dokážu z jednotlivých východiskových molekúl syntetizovať mnoho rôznych typov s atómovou presnosťou,“ vysvetľuje Perrin. Východiskové molekuly pochádzajú z Inštitútu Maxa Plancka pre výskum polymérov v Mainzi.
Na dosiahnutie pokroku v oblasti vedy je kľúčová interdisciplinarita. Na štúdii sa preto podieľali rôzne medzinárodné výskumné skupiny. Uhlíkové nanorúrky vyrobila výskumná skupina z Pekinskej univerzity a vedci z inštitútu Empa spolupracovali s výskumníkmi z Univerzity vo Warwicku na interpretácii výsledkov. „Takýto projekt by nebol možný bez spolupráce,“ zdôrazňuje Zhang.
Precíznosť a kvalitná infraštruktúra
Kontaktovanie jednotlivých pásikov s nanorúrkami bolo pre výskumníkov výzvou. „Uhlíkové nanorúrky a grafénové nanopásiky sa pestujú na oddelených substrátoch,“ vysvetľuje Zhang. „Najprv sa rúrky musia preniesť na experimentálny substrát a kontaktovať s kovovými elektródami. Potom ich rozrežeme pomocou litografie s vysokým rozlíšením prostredníctvom elektrónového lúča, aby sme ich rozdelili na dve elektródy.“ Nakoniec sa pásiky prenesú na ten istý substrát. Presnosť je nevyhnutná. Aj najmenšie pootočenie substrátov môže zabrániť úspešnému kontaktu. „Prístup k vysokokvalitnej infraštruktúre v Binnig and Rohrer Nanotechnology Center vo výskumnom centre IBM v Rüschlikone bol pre testovanie a implementáciu tejto technológie kľúčový,“ hovorí Perrin.
Hudba budúcnosti
Vedci potvrdili úspech meraním prenosu náboja. „Kvantové efekty sú zvyčajne výraznejšie pri nízkych teplotách, preto sme merania uskutočnili pri teplotách blízkych absolútnej nule vo vysokom vákuu,“ vysvetľuje Perrin. Zároveň spomína mimoriadne sľubnú vlastnosť grafénových nanopásikov: „Vďaka extrémne malým rozmerom sú ich kvantové vlastnosti veľmi robustné. Očakávame, že ich bude možné detegovať aj pri izbovej teplote.“ Podľa výskumníka by to mohlo umožniť vývoj kvantových technológií, ktoré si nevyžadujú zložitú chladiacu infraštruktúru.
„Tento projekt umožňuje realizáciu jednotlivých nanopásmových zariadení nielen na štúdium základných kvantových efektov, ako je správanie elektrónov a fonónov na nanoúrovni, ale aj na využitie týchto efektov na aplikácie v oblasti kvantového spínania, kvantovej senzoriky a kvantovej premeny energie,“ dodáva Hatef Sadeghi z University vo Warwicku, ktorý na projekte spolupracoval.
Grafénové nanopásiky ešte nie sú pripravené na komerčné využitie. V nadväzujúcich štúdiách chcú vedci Perrin a Zhang kontrolovať rôzne kvantové stavy na jednom pásiku, ako aj sériovo prepojiť dva nanopásiky a vytvoriť takzvaný dvojitý kvantový bod. Takýto obvod by mohol slúžiť ako qubit – najmenšia jednotka kvantovej informácie.
Zdroj: EMPA
(zh)
