Grafénové nanopásky majú vynikajúce vlastnosti, ktoré možno presne kontrolovať. Výskumníkom z Empa a ETH Zürich v spolupráci s partnermi z Pekingskej univerzity, University of Warwick a Inštitútu Maxa Plancka pre výskum polymérov sa podarilo pripojiť elektródy k jednotlivým atómovo presným nanopásikom, čím sa pripravila cesta pre presnú charakterizáciu fascinujúcich pásikov a ich možné využitie v kvantovej technológii.

Kvantová technológia je sľubná, ale aj mätúca. Očakáva sa, že v nasledujúcich desaťročiach nám poskytne rôzne technologické objavy: menšie a presnejšie senzory, vysoko zabezpečené komunikačné siete a výkonné počítače, ktoré môžu pomôcť pri vývoji nových liekov a materiálov, kontrolovať finančné trhy a predpovedať počasie oveľa rýchlejšie ako súčasná výpočtová technika vôbec mohla.

Aby sme to dosiahli, potrebujeme takzvané kvantové materiály: látky, ktoré vykazujú výrazné kvantové fyzikálne účinky. Jedným z takýchto materiálov je grafén. Táto dvojrozmerná štrukturálna forma uhlíka má nezvyčajné fyzikálne vlastnosti, ako je mimoriadne vysoká pevnosť v ťahu, tepelná a elektrická vodivosť – ako aj určité kvantové efekty. Obmedzenie už aj tak dvojrozmerného materiálu ešte viac, napríklad tým, že mu dá stuhovitý tvar, vedie k množstvu kontrolovateľných kvantových efektov.

To je presne to, čo tím Mickaela Perrina využíva vo svojej práci: Vedci z laboratória Empa’s Transport at Nanoscale Interfaces, vedeného Michelom Calamem, už niekoľko rokov pod vedením Perrina vykonávajú výskum grafénových nanorribónov. Ako vysvetlil Perrin: „Grafénové nanorušky sú ešte fascinujúcejšie ako samotný grafén. Zmenením ich dĺžky a šírky, ako aj tvaru ich hrán a pridaním ďalších atómov k nim im môžete dať všetky druhy elektrických, magnetických a optických vlastností.“

Dokonalá presnosť – až po jednotlivé atómy

Výskum sľubných pások nie je jednoduchý. Čím užšia je páska, tým výraznejšie sú jej kvantové vlastnosti – ale zároveň je ťažšie získať prístup k jednej páske naraz. To je presne to, čo je potrebné urobiť, aby sme pochopili jedinečné vlastnosti a možné aplikácie tohto kvantového materiálu a odlíšili ich od kolektívnych účinkov.

V novej štúdii publikovanej nedávno v časopise Nature Electronics sa výskumníkovi Perrin a Empa Jian Zhangovi spolu s medzinárodným tímom po prvý raz podarilo spojiť s jednotlivými dlhými a atómovo presnými grafénovými nanorribónmi. Nie je to triviálna úloha. Ako uviedol Zhang: „Grafénový nanopásik, ktorý je široký iba deväť atómov uhlíka, meria len 1 nanometer na šírku.“ Aby sa zaistilo, že sa kontaktuje iba jedna nanopáska, výskumníci použili elektródy podobnej veľkosti: Použili uhlíkové nanorúrky, ktoré mali tiež priemer iba 1 nanometer.

Presnosť je kľúčom k takémuto jemnému experimentu. Začína sa zdrojovými materiálmi. Výskumníci získali grafénové nanorušky prostredníctvom silnej a dlhodobej spolupráce s laboratóriom Empa nanotech@surfaces, ktoré vedie Roman Fasel. Ako vysvetlil Perrin: „Roman Fasel a jeho tím už dlho pracujú na grafénových nanoribbonoch a dokážu syntetizovať mnoho rôznych typov s atómovou presnosťou z jednotlivých prekurzorových molekúl.“ Prekurzorové molekuly pochádzajú z Inštitútu Maxa Plancka pre výskum polymérov v nemeckom Mainzi.

Ako sa často vyžaduje na zlepšenie súčasného stavu, interdisciplinarita je kľúčová a zapojili sa do nej rôzne medzinárodné výskumné skupiny, z ktorých každá priniesla svoju vlastnú špecializáciu: Uhlíkové nanorúrky vypestovala výskumná skupina na Pekingskej univerzite a interpretovali Výsledky štúdie, výskumníci Empa spolupracovali s počítačovými vedcami na University of Warwick. Ako zdôraznil Zhang: „Projekt, ako je tento, by nebol možný bez spolupráce.“

Kontaktovanie jednotlivých pások nanorúrkami predstavovalo pre výskumníkov značnú výzvu. Ako ďalej vysvetlil Zhang: „Uhlíkové nanorúrky a grafénové nanorúry sa pestujú na samostatných substrátoch. Najprv je potrebné nanorúrky preniesť na substrát zariadenia a kontaktovať ich kovovými elektródami. Potom ich rozrežeme litografiou s elektrónovým lúčom s vysokým rozlíšením, aby sme ich rozdelili na dve elektródy.“ Nakoniec sa stuhy prenesú na rovnaký substrát. Kľúčom je presnosť: Dokonca aj najmenšie otočenie substrátov môže výrazne znížiť pravdepodobnosť úspešného kontaktu. Ako uviedol Perrin: „Na testovanie a implementáciu tejto technológie bolo nevyhnutné mať prístup k vysokokvalitnej infraštruktúre v Binnig and Roher Nanotechnology Center v IBM Research v Rüschlikone.“

Od počítačov po meniče energie

Vedci potvrdili úspech svojho experimentu meraním transportu náboja. Ako vysvetlil Perrin: „Pretože kvantové efekty sú zvyčajne výraznejšie pri nízkej teplote, merania sme vykonali pri teplotách blízkych absolútnej nule vo vysokom vákuu.“ Rýchlo však pridáva ešte ďalšiu obzvlášť sľubnú kvalitu grafénových nanorribónov: „Vzhľadom na extrémne malú veľkosť týchto nanorribónov očakávame, že ich kvantové efekty budú také robustné, že sú pozorovateľné aj pri izbovej teplote.“ To by nám podľa výskumníka mohlo umožniť navrhnúť a prevádzkovať čipy, ktoré aktívne využívajú kvantové efekty bez potreby prepracovanej chladiacej infraštruktúry.

Ako dodal Hatef Sadeghi, profesor na Univerzite vo Warwicku, ktorý na projekte spolupracoval: „Tento projekt umožňuje realizáciu jednotlivých nanoribbonových zariadení nielen na štúdium základných kvantových efektov, ako je správanie elektrónov a fonónov v nanoúrovni, ale aj na využitie takýchto efektov pre aplikácie pri kvantovom prepínaní, kvantovom snímaní a konverzii kvantovej energie.“

Grafénové nanostuhy ešte nie sú pripravené na komerčné využitie a stále je potrebné vykonať veľa výskumu. V následnej štúdii sa Zhang a Perrin zameriavajú na manipuláciu rôznych kvantových stavov na jednom nanoribbone. Okrem toho plánujú vytvoriť zariadenia založené na dvoch pásikoch zapojených do série, ktoré tvoria takzvanú dvojitú kvantovú bodku. Takýto obvod by mohol slúžiť ako qubit – najmenšia jednotka informácie v kvantovom počítači. Okrem toho Perrin v kontexte svojho nedávno získaného grantu ERC Starting Grant a profesorského štipendia SNSF Eccellenza plánuje preskúmať využitie nanopások ako vysoko účinných konvertorov energie. Vo svojej inauguračnej prednáške na ETH Zürich načrtáva obraz sveta, v ktorom môžeme využiť elektrinu z teplotného rozdielu, pričom takmer nestrácame žiadnu energiu ako teplo – to by bol skutočný kvantový skok.

Medzinárodná spolupráca

K tomuto projektu prispelo kľúčovým spôsobom viacero výskumných skupín. Grafénové nanorribóny boli vypestované v laboratóriu Empa nanotech@surfaces, ktoré vedie Roman Fasel, na základe prekurzorových molekúl poskytnutých tímom Klausa Müllena z Inštitútu Maxa Plancka pre výskum polymérov v Mainzi. Nanorribóny boli integrované do nanofabrikovaných zariadení členmi laboratória Empa’s Transport at Nanoscale Interfaces, ktoré vedie Michel Calame, v ktorom je zakomponovaná skupina Mickaela Perrina. Presne zarovnané, vysokokvalitné uhlíkové nanorúrky potrebné pre túto konkrétnu štúdiu poskytla výskumná skupina Jin Zhang na Pekingskej univerzite. Nakoniec, na interpretáciu výsledkov štúdie, výskumníci Empa spolupracovali s výpočtovými vedcami na University of Warwick pod dohľadom Hatefa Sadeghiho.

Viac informácií:

J. Zhang, L. Qian, G. Borin Barin, AHS Daaoub, P. Chen, K. Müllen, S. Sangtarash, P. Ruffieux, R. Fasel, H. Sadeghi, J. Zhang, M. Calame, ML Perrin; Contacting individual graphene nanoribbons using carbon nanotube electrodes; Nature Electronics (2023); doi: 10.1038/s41928-023-00991-3

Zdroj: https://www.empa.ch, zverejnené: 18. 8. 2023, autor: rpa