Gli scienziati stanno sperimentando strisce strette di grafene, chiamati nanonastri, nella speranza di realizzare nuovi fantastici dispositivi elettronici, ma l'Università della California, Gli scienziati di Berkeley hanno scoperto un altro possibile ruolo per loro:come trappole di elettroni su nanoscala con potenziali applicazioni nei computer quantistici.

Grafene, un foglio di atomi di carbonio disposti in modo rigido, reticolo del favo che assomiglia al cavo di pollo, ha interessanti proprietà elettroniche proprie. Ma quando gli scienziati tagliano una striscia di meno di circa 5 nanometri di larghezza, meno di un decimillesimo della larghezza di un capello umano, il nanonastro di grafene assume nuove proprietà quantistiche, rendendolo una potenziale alternativa ai semiconduttori di silicio.

Il teorico dell'Università di Berkeley Steven Louie, un professore di fisica, l'anno scorso aveva previsto che l'unione di due diversi tipi di nanonastri avrebbe potuto produrre un materiale unico, uno che immobilizza i singoli elettroni alla giunzione tra i segmenti del nastro.

Per realizzare ciò, però, la "topologia" elettronica dei due pezzi di nanonastro deve essere diversa. La topologia qui si riferisce alla forma che gli stati di elettroni in propagazione adottano mentre si muovono meccanicamente quantisticamente attraverso un nanonastro, una proprietà sottile che era stata ignorata nei nanonastri di grafene fino alla previsione di Louie.

Due dei colleghi di Louie, il chimico Felix Fischer e il fisico Michael Crommie, si è entusiasmato per la sua idea e per le potenziali applicazioni dell'intrappolamento di elettroni nei nanonastri e ha collaborato per testare la previsione. Insieme sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente che le giunzioni di nanonastri aventi la corretta topologia sono occupate da singoli elettroni localizzati.

Un nanonastro realizzato secondo la ricetta di Louie con strisce di nastro alternate di diverse larghezze, formando un superreticolo di nanonastri, produce una linea conga di elettroni che interagiscono meccanicamente quantistica. A seconda della distanza delle strisce, il nuovo nanonastro ibrido è un metallo, un semiconduttore o una catena di qubit, gli elementi di base di un computer quantistico.

"Questo ci offre un nuovo modo per controllare le proprietà elettroniche e magnetiche dei nanonastri di grafene, "disse Crommie, un professore di fisica dell'Università di Berkeley. "Abbiamo passato anni a modificare le proprietà dei nanonastri utilizzando metodi più convenzionali, ma giocare con la loro topologia ci offre un nuovo e potente modo per modificare le proprietà fondamentali dei nanonastri che non avevamo mai sospettato esistessero fino ad ora."

La teoria di Louie implica che i nanonastri siano isolanti topologici:materiali insoliti che sono isolanti, questo è, non conduttivo all'interno, ma conduttori metallici lungo la loro superficie. Il Premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato a tre scienziati che per primi hanno utilizzato i principi matematici della topologia per spiegare strane, stati quantistici della materia, ora classificati come materiali topologici.

Gli isolanti topologici tridimensionali conducono l'elettricità lungo i loro lati, fogli di isolanti topologici 2-D conducono elettricità lungo i loro bordi, e questi nuovi isolanti topologici a nanonastro 1D hanno l'equivalente di metalli a dimensione zero (0D) ai loro bordi, con l'avvertenza che un singolo elettrone 0D in corrispondenza di una giunzione a nastro è confinato in tutte le direzioni e non può muoversi da nessuna parte. Se un altro elettrone è similmente intrappolato nelle vicinanze, però, i due possono scavare un tunnel lungo il nanonastro e incontrarsi tramite le regole della meccanica quantistica. E gli spin degli elettroni adiacenti, se distanziati nel modo giusto, dovrebbe rimanere impigliato in modo che il ritocco di uno influenzi gli altri, una caratteristica essenziale per un computer quantistico.

La sintesi dei nanonastri ibridi è stata un'impresa difficile, disse Fischer, un professore di chimica dell'Università di Berkeley. Mentre i teorici possono prevedere la struttura di molti isolanti topologici, ciò non significa che possano essere sintetizzati nel mondo reale.

"Qui hai una ricetta molto semplice su come creare stati topologici in un materiale che è molto accessibile, " ha detto Fischer. "E 'solo chimica organica. La sintesi non è banale, concesso, ma possiamo farlo. Questo è un passo avanti in quanto ora possiamo iniziare a pensare a come usarlo per ottenere nuovi, strutture elettroniche senza precedenti."

I ricercatori riporteranno la loro sintesi, teoria e analisi nel numero del 9 agosto della rivista Natura . Luigi, Fischer e Crommie sono anche scienziati della facoltà del Lawrence Berkeley National Laboratory.

Lavorare a maglia nanonastri insieme

Luigi, specializzato nella teoria quantistica delle forme insolite della materia, dai superconduttori alle nanostrutture, 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, però, 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.