I nanonastri di grafene hanno proprietà eccezionali che possono essere controllate con precisione. I ricercatori dell’Empa e dell’ETH di Zurigo, in collaborazione con partner dell’Università di Pechino, dell’Università di Warwick e dell’Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, sono riusciti a collegare elettrodi a singoli nanonastri atomicamente precisi, aprendo la strada alla caratterizzazione precisa degli affascinanti nastri e il loro possibile utilizzo nella tecnologia quantistica.
La tecnologia quantistica è promettente, ma lascia anche perplessi. Nei prossimi decenni, si prevede che ci fornirà varie scoperte tecnologiche:sensori più piccoli e più precisi, reti di comunicazione altamente sicure e computer potenti che potranno aiutare a sviluppare nuovi farmaci e materiali, controllare i mercati finanziari e prevedere il tempo molto più velocemente di quanto si possa immaginare. l'attuale tecnologia informatica potrebbe mai farlo.
Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo bisogno dei cosiddetti materiali quantistici:sostanze che presentano effetti fisici quantistici pronunciati. Uno di questi materiali è il grafene. Questa forma strutturale bidimensionale del carbonio ha proprietà fisiche insolite, come resistenza alla trazione, conduttività termica ed elettrica straordinariamente elevate, nonché alcuni effetti quantistici. Limitare ulteriormente il materiale già bidimensionale, ad esempio, dandogli una forma a nastro, dà origine a una serie di effetti quantistici controllabili.
Questo è esattamente ciò su cui il team di Mickael Perrin fa leva nel proprio lavoro. Da diversi anni gli scienziati del laboratorio Transport at Nanoscale Interfaces dell'Empa, diretto da Michel Calame, conducono ricerche sui nanonastri di grafene sotto la guida di Perrin. "I nanonastri di grafene sono ancora più affascinanti del grafene stesso", spiega Perrin. "Variando la loro lunghezza e larghezza, così come la forma dei loro bordi, e aggiungendovi altri atomi, puoi conferire loro tutti i tipi di proprietà elettriche, magnetiche e ottiche."
Precisione assoluta, fino ai singoli atomi
La ricerca sui nastri promettenti non è facile. Più stretto è il nastro, più pronunciate sono le sue proprietà quantistiche, ma diventa anche più difficile accedere a un singolo nastro alla volta. Questo è esattamente ciò che bisogna fare per comprendere le caratteristiche uniche e le possibili applicazioni di questo materiale quantistico e distinguerle dagli effetti collettivi.
In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Electronics , Perrin e il ricercatore dell'Empa Jian Zhang, insieme a un team internazionale, sono riusciti per la prima volta a contattare singoli nanonastri di grafene lunghi e atomicamente precisi. "Un nanonastro di grafene largo solo nove atomi di carbonio misura appena 1 nanometro di larghezza", afferma Zhang. Per garantire che venga contattato un solo nanonastro, i ricercatori hanno utilizzato elettrodi di dimensioni simili. Hanno usato nanotubi di carbonio che avevano anche solo 1 nanometro di diametro.
La precisione è fondamentale per un esperimento così delicato. Si inizia con i materiali di partenza. I ricercatori hanno ottenuto i nanonastri di grafene attraverso una collaborazione forte e di lunga data con il laboratorio nanotech@surfaces dell'Empa, diretto da Roman Fasel. "Roman Fasel e il suo team lavorano da molto tempo sui nanonastri di grafene e possono sintetizzarne molti tipi diversi con precisione atomica da singole molecole precursori", spiega Perrin. Le molecole precursori provenivano dall'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri di Magonza.
Come spesso richiesto per far avanzare lo stato dell’arte, l’interdisciplinarietà è fondamentale e sono stati coinvolti diversi gruppi di ricerca internazionali, ognuno dei quali ha portato sul tavolo la propria specialità. I nanotubi di carbonio sono stati coltivati da un gruppo di ricerca dell'Università di Pechino e per interpretare i risultati dello studio i ricercatori dell'Empa hanno collaborato con scienziati computazionali dell'Università di Warwick. "Un progetto come questo non sarebbe possibile senza la collaborazione", sottolinea Zhang.
Il contatto dei singoli nastri con i nanotubi ha rappresentato una sfida considerevole per i ricercatori. "I nanotubi di carbonio e i nanonastri di grafene vengono coltivati su substrati separati", spiega Zhang. "In primo luogo, i nanotubi devono essere trasferiti sul substrato del dispositivo e contattati da elettrodi metallici. Quindi li tagliamo con litografia a fascio di elettroni ad alta risoluzione per separarli in due elettrodi." Infine i nastri vengono trasferiti sullo stesso substrato. La precisione è fondamentale:anche la minima rotazione dei substrati può ridurre significativamente la probabilità di un contatto riuscito. "Avere accesso a un'infrastruttura di alta qualità presso il Binnig and Roher Nanotechnology Center presso IBM Research a Rüschlikon era essenziale per testare e implementare questa tecnologia", afferma Perrin.
Dai computer ai convertitori di energia
Gli scienziati hanno confermato il successo del loro esperimento attraverso misurazioni del trasporto di carica. "Poiché gli effetti quantistici sono solitamente più pronunciati a bassa temperatura, abbiamo eseguito le misurazioni a temperature vicine allo zero assoluto in un vuoto spinto", spiega Perrin. E aggiunge:"A causa delle dimensioni estremamente ridotte di questi nanonastri, ci aspettiamo che i loro effetti quantistici siano così robusti da essere osservabili anche a temperatura ambiente."
Questo, afferma il ricercatore, potrebbe consentirci di progettare e utilizzare chip che sfruttano attivamente gli effetti quantistici senza la necessità di un'elaborata infrastruttura di raffreddamento.
"Questo progetto consente la realizzazione di singoli dispositivi nanoribbon, non solo per studiare effetti quantistici fondamentali come il comportamento di elettroni e fononi su scala nanometrica, ma anche per sfruttare tali effetti per applicazioni nella commutazione quantistica, nel rilevamento quantistico e nella conversione dell'energia quantistica," aggiunge Hatef Sadeghi, professore dell'Università di Warwick che ha collaborato al progetto.
I nanonastri di grafene non sono ancora pronti per le applicazioni commerciali e c’è ancora molta ricerca da fare. In uno studio di follow-up, Zhang e Perrin mirano a manipolare diversi stati quantistici su un singolo nanonastro. Inoltre, progettano di creare dispositivi basati su due nastri collegati in serie, formando un cosiddetto doppio punto quantico.
Un circuito del genere potrebbe fungere da qubit, la più piccola unità di informazione in un computer quantistico. Perrin prevede di esplorare l'uso dei nanonastri come convertitori di energia altamente efficienti.
Ulteriori informazioni: Jian Zhang et al, Contatto con singoli nanonastri di grafene utilizzando elettrodi di nanotubi di carbonio, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
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