Los científicos están experimentando con tiras estrechas de grafeno, llamadas nanoribones, con la esperanza de hacer nuevos dispositivos electrónicos geniales, pero los científicos de la Universidad de California en Berkeley han descubierto otro posible papel para ellos: como trampas de electrones a nanoescala con aplicaciones potenciales en computadoras cuánticas.
El grafeno, una lámina de átomos de carbono dispuestos en un entramado de nido de abeja rígido que se asemeja a un alambre de gallina, tiene sus propias propiedades electrónicas interesantes. Pero cuando los científicos cortaron una tira de menos de 5 nanómetros de ancho, menos de una décima parteEl ancho de un cabello humano: el nanofibro de grafeno adquiere nuevas propiedades cuánticas, lo que lo convierte en una alternativa potencial a los semiconductores de silicio.
El teórico de UC Berkeley, Steven Louie, profesor de física, predijo el año pasado que unir dos tipos diferentes de nanoribones podría producir un material único, uno que inmoviliza electrones individuales en la unión entre segmentos de cinta.
Sin embargo, para lograr esto, la "topología" electrónica de las dos piezas de nanoribón debe ser diferente. La topología aquí se refiere a la forma que adoptan los estados electrónicos de propagación a medida que se mueven cuánticamente a través de un nanoribón, una propiedad sutil que había sidoignorado en nanofibras de grafeno hasta la predicción de Louie.
Dos de los colegas de Louie, el químico Felix Fischer y el físico Michael Crommie, se entusiasmaron con su idea y las posibles aplicaciones de atrapar electrones en nanoribones y se unieron para probar la predicción. Juntos pudieron demostrar experimentalmente que las uniones de nanoribones que tienen ella topología adecuada está ocupada por electrones localizados individuales.
Un nanoribón hecho de acuerdo con la receta de Louie con tiras de cinta alternantes de diferentes anchos, formando una superrejilla de nanoribón, produce una línea de conga de electrones que interactúan cuánticamente. Dependiendo de la distancia de las tiras separadas, el nuevo nanoribón híbrido es un metal,un semiconductor o una cadena de qubits, los elementos básicos de una computadora cuántica.
"Esto nos da una nueva forma de controlar las propiedades electrónicas y magnéticas de los nanoribones de grafeno", dijo Crommie, profesor de física de UC Berkeley. "Pasamos años cambiando las propiedades de los nanoribones usando métodos más convencionales, pero jugando con su topologíanos brinda una nueva y poderosa forma de modificar las propiedades fundamentales de los nanoribones que nunca sospechamos que existieran hasta ahora "
La teoría de Louie implica que los nanoribones son aislantes topológicos: materiales inusuales que son aislantes, es decir, no conductores en el interior, pero conductores metálicos a lo largo de su superficie. El Premio Nobel de Física 2016 se otorgó a tres científicos que utilizaron por primera vez las matemáticasprincipios de topología para explicar estados extraños y cuánticos de la materia, ahora clasificados como materiales topológicos.
Los aisladores topológicos tridimensionales conducen la electricidad a lo largo de sus lados, las láminas de aisladores topológicos 2D conducen la electricidad a lo largo de sus bordes, y estos nuevos aisladores topológicos de nanoribones 1D tienen el equivalente de metales de cero dimensiones 0D en sus bordes, con la advertencia de queun solo electrón 0D en una unión de cinta está confinado en todas las direcciones y no puede moverse a ninguna parte. Sin embargo, si otro electrón está atrapado de manera similar cerca, los dos pueden hacer un túnel a lo largo del nanoribón y encontrarse a través de las reglas de la mecánica cuántica. Y los espinesde electrones adyacentes, si están espaciados a la derecha, deberían enredarse para que ajustar uno afecte a los demás, una característica que es esencial para una computadora cuántica.
La síntesis de los nanoribones híbridos fue una hazaña difícil, dijo Fischer, profesor de química de UC Berkeley. Si bien los teóricos pueden predecir la estructura de muchos aislantes topológicos, eso no significa que puedan sintetizarse en el mundo real.
"Aquí tiene una receta muy simple sobre cómo crear estados topológicos en un material que es muy accesible", dijo Fischer. "Es solo química orgánica. La síntesis no es trivial, es cierto, pero podemos hacerlo. Estoes un avance en el sentido de que ahora podemos comenzar a pensar en cómo usar esto para lograr nuevas estructuras electrónicas sin precedentes ".
Los investigadores informarán su síntesis, teoría y análisis en la edición del 9 de agosto de la revista Naturaleza . Louie, Fischer y Crommie también son científicos docentes en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Tejer nanoribones juntos
Louie, que se especializa en la teoría cuántica de formas inusuales de materia, desde superconductores hasta nanoestructuras, escribió un artículo de 2017 que describe cómo hacer uniones de grafeno nanoribón que aprovechan el descubrimiento teórico de que los nanoribones son aislantes topológicos 1D. Su receta requeríatomando los llamados nanoribones topológicamente triviales y combinándolos con nanoribones topológicamente no triviales, donde Louie explicó cómo distinguir la diferencia entre los dos al observar la forma de los estados mecánicos cuánticos que adoptan los electrones en las cintas.
Fischer, que se especializa en sintetizar y caracterizar nanomoléculas inusuales, descubrió una nueva forma de hacer estructuras de nanoribones con precisión atómica que exhibirían estas propiedades a partir de compuestos de carbono complejos basados en antraceno.
Trabajando codo a codo, los equipos de investigación de Fischer y Crommie luego construyeron los nanoribones sobre un catalizador de oro calentado dentro de una cámara de vacío, y el equipo de Crommie usó un microscopio de túnel de barrido para confirmar la estructura electrónica del nanoribón. Combinaba perfectamente con la teoría de Louiey cálculos. Los nanoribones híbridos que hicieron tenían entre 50 y 100 uniones, cada una ocupada por un electrón individual capaz de interactuar mecánicamente cuánticamente con sus vecinos.
"Cuando calientas los bloques de construcción, obtienes una colcha de mosaico de moléculas unidas en este hermoso nanoribón", dijo Crommie. "Pero debido a que las diferentes moléculas pueden tener diferentes estructuras, el nanoribón puede diseñarse para tener nuevas propiedades interesantes."
Fischer dijo que la longitud de cada segmento de nanoribón se puede variar para cambiar la distancia entre los electrones atrapados, lo que cambia la forma en que interactúan mecánicamente cuánticamente. Cuando están juntos, los electrones interactúan fuertemente y se dividen en dos estados cuánticos enlace y anti-enlace cuyas propiedades pueden controlarse, lo que permite la fabricación de nuevos metales y aislantes 1D. Sin embargo, cuando los electrones atrapados están un poco más separados, actúan como pequeños imanes cuánticos espines que pueden enredarse y son ideales para la computación cuántica.
"Esto nos proporciona un sistema completamente nuevo que alivia algunos de los problemas que se esperan para las futuras computadoras cuánticas, como la forma de producir fácilmente en masa puntos cuánticos de alta precisión con enredos de ingeniería que se pueden incorporar en dispositivos electrónicos de una manera directa,"Dijo Fischer.
Los coautores principales del artículo son Daniel Rizzo y Ting Cao del Departamento de Física y Gregory Veber del Departamento de Química, junto con sus colegas Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao y Henry Rodriguez. Fischer y Crommie son ambosmiembros del Instituto Kavli Energy NanoSciences en UC Berkeley y Berkeley Lab.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía, el Centro de Ciencia Electrónica de Energía Eficiente y la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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