"Topologiczne" nanowstążki grafenowe zatrzymują elektrony w poszukiwaniu nowych materiałów kwantowych

Anonim

Naukowcy eksperymentują z wąskimi paskami grafenu, zwanymi nanorbuzami, w nadziei na stworzenie fajnych nowych urządzeń elektronicznych, ale naukowcy z University of California, Berkeley odkryli inną możliwą rolę dla nich: jako nanoskalowe pułapki elektronowe z potencjalnymi zastosowaniami w komputerach kwantowych.

Grafen, karta atomów węgla ułożona w sztywną kratę przypominającą drut z kurczaka, ma interesujące właściwości elektroniczne. Ale kiedy naukowcy odcinają pas o szerokości mniejszej niż około 5 nanometrów na szerokość - mniej niż jedną dziesiątą tysięczną szerokości ludzkiego włosa - nanoribbon grafenowy przybiera nowe właściwości kwantowe, czyniąc z niego potencjalną alternatywę dla półprzewodników z krzemu.

UC Berkeley, Steven Louie, profesor fizyki, przewidział w ubiegłym roku, że łączenie dwóch różnych rodzajów nanorbonów może dać unikalny materiał, który unieruchamia pojedyncze elektrony na styku między segmentami wstążki.

Aby to osiągnąć, elektronowa "topologia" dwóch kawałków nanorobka musi być inna. Topologia w tym miejscu odnosi się do kształtu, który propagują stany elektronów, gdy poruszają się kwantowo mechanicznie przez nanoribbon, subtelną właściwość, która została zignorowana w nanopułkach grafenowych, aż do przewidywań Louie.

Dwaj koledzy Louiego, chemik Felix Fischer i fizyk Michael Crommie, byli podekscytowani jego pomysłem i potencjalnymi zastosowaniami pułapkowania elektronów w nanorbuzach i połączyli siły, aby przetestować prognozę. Razem byli w stanie wykazać eksperymentalnie, że połączenia nanorbionów o odpowiedniej topologii są zajęte przez poszczególne zlokalizowane elektrony.

Nanoribbon wykonany według receptury Louie z naprzemiennymi paskami taśmy o różnych szerokościach, tworząc supersiecian nanorobka, wytwarza linię conga elektronów, które oddziałują mechanicznie kwantowo. W zależności od odległości pasków, nowy hybrydowy nanoribbon jest metalem, półprzewodnikiem lub łańcuchem kubitów, podstawowymi elementami komputera kwantowego.

"To daje nam nowy sposób kontrolowania właściwości elektronowych i magnetycznych nanocząstek grafenu", powiedział Crommie, profesor fizyki Uniwersytetu w Berkeley. "Spędziliśmy lata zmieniając właściwości nanorbuzów przy użyciu bardziej konwencjonalnych metod, ale granie z ich topologią daje nam potężny nowy sposób na modyfikowanie podstawowych właściwości nanorobotów, które do tej pory nie istniały."

Teoria Louiego sugeruje, że nanorbony są izolatorami topologicznymi: niezwykłymi materiałami, które są izolatorami, to jest nieprzewodzącymi we wnętrzu, ale metalicznymi przewodnikami wzdłuż ich powierzchni. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2016 r. Została przyznana trzem naukowcom, którzy najpierw zastosowali matematyczne zasady topologii, aby wyjaśnić dziwne, kwantowe stany materii, teraz sklasyfikowane jako materiały topologiczne.

Trójwymiarowe izolatory topologiczne przewodzą prąd wzdłuż boków, arkusze 2-D izolatorów topologicznych przewodzą prąd wzdłuż ich krawędzi, a te nowe izolatory topologiczne nanorobków 1D mają odpowiedniki metali zerowych (0D) na ich krawędziach, z zastrzeżeniem, że pojedynczy elektron 0D na połączeniu wstęgowym jest ograniczony we wszystkich kierunkach i nie może się nigdzie ruszyć. Jeśli inny elektron jest podobnie uwięziony w pobliżu, oba mogą tunelować wzdłuż nanoribonu i spotykać się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. A spiny sąsiednich elektronów, jeśli są rozmieszczone w odpowiedniej odległości, powinny się zaplątać, tak aby zmiana dotyczyła innych, co jest niezbędne dla komputera kwantowego.

Synteza hybrydowych nanocząstek była trudnym wyczynem, powiedział Fischer, profesor chemii UC Berkeley. Podczas gdy teoretycy mogą przewidzieć strukturę wielu izolatorów topologicznych, nie oznacza to, że można je zsyntetyzować w rzeczywistym świecie.

"Tutaj masz bardzo prosty przepis na tworzenie stanów topologicznych w bardzo przystępnym materiale" - powiedział Fischer. "To po prostu chemia organiczna, synteza nie jest trywialna, przyznana, ale możemy to zrobić. To przełom w tym, że możemy teraz zacząć myśleć o tym, jak z tego korzystać, aby osiągnąć nowe, niespotykane struktury elektroniczne".

Naukowcy podadzą swoją syntezę, teorię i analizę w numerze 9 sierpnia czasopisma " Nature". Louie, Fischer i Crommie są także naukowcami wydziału w Lawrence Berkeley National Laboratory.

Knitting nanoribbons razem

Louie, który specjalizuje się w kwantowej teorii niezwykłych form materii, od nadprzewodników po nanostruktury, napisał artykuł z 2017 r., W którym opisano, jak tworzyć połączenia nanorobów grafenu, które wykorzystują teoretyczne odkrycie, że nanoroboty są izolatorami topologicznymi 1D. Jego receptura wymagała zastosowania tak zwanych topologicznie banalnych nanorbuzonów i powiązania ich z topologicznie nietrywialnymi nanorobokami, w których Louie wyjaśnił, jak odróżnić te dwa od siebie, patrząc na kształt stanów mechaniki kwantowej, które są przyjmowane przez elektrony na wstążkach.

Fischer, który specjalizuje się w syntezowaniu i charakteryzowaniu niezwykłych nanocząsteczek, odkrył nowy sposób tworzenia precyzyjnych pod względem atomowym struktur nanoroboków, które wykazywałyby te właściwości ze złożonych związków węglowych opartych na antracenie.

Pracując ramię w ramię, zespoły badawcze Fischera i Crommie zbudowały nanorbiony na szczycie złotego katalizatora nagrzanego w komorze próżniowej, a zespół Crommie użył skanującego mikroskopu tunelowego do potwierdzenia elektronowej struktury nanoribonu. Doskonale pasował do teorii Louie i obliczeń. Nanocząstki hybrydowe, które wytworzyły, miały od 50 do 100 połączeń, z których każdy zajmował się elektronem zdolnym do kwantowej interakcji mechanicznej z sąsiadami.

"Kiedy ogrzewasz bloki budulcowe, dostajesz patchworkową kołdrę molekuł połączonych razem w tę piękną nanoribbonę" - powiedział Crommie. "Ale ponieważ różne cząsteczki mogą mieć różne struktury, nanoribbon może być zaprojektowany tak, aby miał ciekawe nowe właściwości."

Fischer powiedział, że długość każdego odcinka nanoribonu może być zmieniana w celu zmiany odległości między uwięzionymi elektronami, zmieniając tym samym, w jaki sposób mechanicznie oddziałują one kwantowo. Gdy znajdują się blisko siebie, elektrony oddziałują silnie i dzieli się na dwa stany kwantowe (wiązania i wiązania), których właściwości można kontrolować, umożliwiając wytwarzanie nowych metali 1D i izolatorów. Kiedy uwięzione elektrony są nieco bardziej rozdzielone, działają jednak jak małe magnesy kwantowe (spiny), które mogą zostać splątane i są idealne do obliczeń kwantowych.

"To daje nam całkowicie nowy system, który zmniejsza niektóre problemy, które mogą pojawić się w przyszłości na komputerach kwantowych, np. Jak łatwo masowo produkować wysoce precyzyjne kropki kwantowe z inżynierskim splątaniem, które można w prosty sposób włączyć do urządzeń elektronicznych, " Fischer powiedziany.

Współprowadzącymi autorami artykułu są Daniel Rizzo i Ting Cao z Wydziału Fizyki i Gregory Veber z Wydziału Chemii, a także ich koledzy: Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao i Henry Rodriguez. Fischer i Crommie są członkami Kavli Energy NanoSciences Institute w UC Berkeley i Berkeley Lab.

menu
menu