La manipolazione precisa dei singoli portatori di carica è una pietra miliare per i transistor a singolo elettrone e per i dispositivi elettronici del futuro, compresi i bit quantistici allo stato solido (qubit). I punti quantici (QD) sono il cuore di questi dispositivi. In un recente Nano lettere carta, i ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) presentano il primo QD di grafene monostrato sintonizzabile meccanicamente le cui proprietà elettroniche possono essere modificate da spostamenti nanometrici nel piano.

Per accedere alle informazioni sia elettriche che meccaniche dal campione, i ricercatori hanno utilizzato una piattaforma chiamata giunzione di rottura controllata meccanicamente per misurare le proprietà elettromeccaniche del loro dispositivo durante la flessione a tre punti. Il campione è costituito da un'eterostruttura di van der Waals realizzata impilando diversi fiocchi di materiale 2-D sopra un substrato flessibile:un back gate di grafite per controllare elettrostaticamente la corrente attraverso il dispositivo, uno strato dielettrico di nitruro di boro esagonale e un canale conduttore di grafene monostrato.

Rompere un papillon

I risultati delle misurazioni della temperatura ambiente durante la piegatura dimostrano che il grafene, modellato in una forma nanobowtie con una larghezza di costrizione di 160 nm, eventualmente si rompe (corrente zero) ma può anche essere rifatta (correnti microampere) per scorrimento e sovrapposizione dei bordi del grafene. "Abbiamo eseguito lo stesso tipo di misurazioni a temperature criogeniche (4K), e la mappatura della corrente in funzione della tensione di gate e della tensione di polarizzazione ha rivelato un chiaro schema a rombi", ha affermato l'autore principale Sabina Caneva di TU Delft. "Ciò significa che nella giunzione è presente un QD".

Sorprendentemente, utilizzando spostamenti meccanici su scala nanometrica, i ricercatori hanno dimostrato che sia gli accoppiamenti capacitivi che quelli a tunnel del QD ai conduttori in grafene possono essere sintonizzati in modo completamente reversibile. "Abbiamo ottenuto una modulazione di cinque ordini di grandezza dell'accoppiamento del tunnel all'elettrodo di drenaggio, che è significativamente più alto di quanto riportato per i QD sotto il solo controllo elettrico, " ha affermato Caneva. La geometria del dispositivo consente la formazione di una regione di sovrapposizione del doppio strato di grafene, dove la lunghezza della sovrapposizione può essere variata con controllo sub-nm da una manopola di sintonia meccanica.

Accordare la sovrapposizione

È importante sottolineare che ciò ha permesso ai ricercatori di modificare l'asimmetria negli accoppiamenti del tunnel modificando la sovrapposizione tra il QD e l'elettrodo di drain. "Una manipolazione così completa e reversibile di un QD di grafene, in cui l'elettrostatica e gli accoppiamenti possono essere controllati sia meccanicamente che elettronicamente, è senza precedenti, " disse Pascal Gehring, ultimo autore del saggio. "Questi risultati sono rilevanti per le applicazioni in cui una comprensione dettagliata dell'effetto dell'asimmetria del tunneling è cruciale per le prestazioni del dispositivo, come nella calorimetria quantistica e negli energy harvester QD".

La piattaforma MCBJ può essere estesa ad altri materiali 2-D con la prospettiva di esplorare il comportamento del trasporto a bassa temperatura sotto l'influenza elettrica e meccanica. In particolare, può prestarsi alla formazione, rottura e sovrapposizione controllata di costrizione ultra-stretta in film sottili superconduttori, fornendo così un nuovo approccio alla manipolazione dell'effetto Josephson in un dispositivo in piano.