Topologiske grafen -nanoribber fanger elektroner til nye kvantematerialer

Forskere eksperimenterer med smalle strimler af grafen, kaldet nanoribbons, i håb om at lave fede nye elektroniske enheder, men University of California, Berkeley -forskere har opdaget en anden mulig rolle for dem:som nanoskalaelektronfælder med potentielle applikationer i kvantecomputere.

Graphene, et ark carbonatomer arrangeret i et stift, honningkagegitter, der ligner kyllingetråd, har sine egne interessante elektroniske egenskaber. Men når forskere afbrød en strimmel mindre end cirka 5 nanometer i bredden-mindre end en ti-tusindedel af et menneskehårs bredde-får grafen-nanoribbon nye kvanteegenskaber, hvilket gør det til et potentielt alternativ til siliciumhalvledere.

UC Berkeley teoretiker Steven Louie, professor i fysik, forudsagde sidste år, at sammenføjning af to forskellige typer nanoribbons kunne give et unikt materiale, en, der immobiliserer enkelte elektroner i krydset mellem båndsegmenter.

For at opnå dette, imidlertid, elektron "topologien" for de to nanoribbon -stykker skal være forskellige. Topologi refererer her til den form, som formerende elektronstater antager, når de bevæger kvantemekanisk mekanisk gennem et nanoribbon, en subtil egenskab, der var blevet ignoreret i grafen -nanoribbons indtil Louies forudsigelse.

To af Louies kolleger, kemiker Felix Fischer og fysiker Michael Crommie, blev begejstret over hans idé og de potentielle anvendelser af at fange elektroner i nanoribbons og gik sammen om at teste forudsigelsen. Sammen var de i stand til eksperimentelt at demonstrere, at krydsninger mellem nanoribbons med den korrekte topologi er optaget af individuelle lokaliserede elektroner.

Et nanoribbon fremstillet efter Louies opskrift med skiftende båndstrimler i forskellige bredder, danner et nanoribbon supergitter, producerer en conga -linje af elektroner, der interagerer kvantemekanisk mekanisk. Afhængigt af strimlenes afstand fra hinanden, det nye hybrid nanoribbon er enten et metal, en halvleder eller en kæde af qubits, grundelementerne i en kvantecomputer.

"Dette giver os en ny måde at kontrollere de elektroniske og magnetiske egenskaber ved grafen -nanoribbons, "sagde Crommie, en professor i fysik i UC Berkeley. "Vi brugte år på at ændre nanoribbons egenskaber ved hjælp af mere konventionelle metoder, men at lege med deres topologi giver os en kraftfuld ny måde at ændre de grundlæggende egenskaber ved nanoribbons, som vi aldrig havde mistanke om, eksisterede før nu. "

Louies teori indebærer, at nanoribbons er topologiske isolatorer:usædvanlige materialer, der er isolatorer, det er, ikke-ledende i det indre, men metalliske ledere langs deres overflade. Nobelprisen i fysik i 2016 blev tildelt tre forskere, der først brugte de matematiske principper for topologi til at forklare mærkelige, kvantetilstande af stof, nu klassificeret som topologiske materialer.

Tredimensionale topologiske isolatorer leder elektricitet langs deres sider, plader af 2-D topologiske isolatorer leder elektricitet langs deres kanter, og disse nye 1D nanoribbon topologiske isolatorer har ækvivalent med nul-dimensionelle (0D) metaller ved deres kanter, med forbehold om, at en enkelt 0D -elektron ved et båndkryds er begrænset i alle retninger og ikke kan bevæge sig nogen steder. Hvis en anden elektron er fanget på samme måde i nærheden, imidlertid, de to kan tunnelere langs nanoribbon og mødes via kvantemekanikkens regler. Og snurren af ​​tilstødende elektroner, hvis det er rigtigt fordelt, bør vikle sig sammen, så tweaking den ene påvirker de andre, en funktion, der er afgørende for en kvantecomputer.

Syntesen af ​​hybrid nanoribbons var en vanskelig bedrift, sagde Fischer, en UC Berkeley professor i kemi. Mens teoretikere kan forudsige strukturen af ​​mange topologiske isolatorer, det betyder ikke, at de kan syntetiseres i den virkelige verden.

"Her har du en meget enkel opskrift på, hvordan du opretter topologiske tilstande i et materiale, der er meget tilgængeligt, "Fischer sagde." Det er bare organisk kemi. Syntesen er ikke triviel, givet, men vi kan gøre det. Dette er et gennembrud ved, at vi nu kan begynde at tænke på, hvordan vi kan bruge dette til at opnå nye, elektroniske strukturer uden fortilfælde. "

Forskerne vil rapportere deres syntese, teori og analyse i tidsskriftet 9. august Natur . Louie, Fischer og Crommie er også fakultetsforskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Strik nanoribbons sammen

Louie, who specializes in the quantum theory of unusual forms of matter, from superconductors to nanostructures, authored a 2017 paper that described how to make graphene nanoribbon junctions that take advantage of the theoretical discovery that nanoribbons are 1D topological insulators. His recipe required taking so-called topologically trivial nanoribbons and pairing them with topologically non-trivial nanoribbons, where Louie explained how to tell the difference between the two by looking at the shape of the quantum mechanical states that are adopted by electrons in the ribbons.

Fischer, who specializes in synthesizing and characterizing unusual nanomolecules, discovered a new way to make atomically precise nanoribbon structures that would exhibit these properties from complex carbon compounds based on anthracene.

Working side by side, Fischer's and Crommie's research teams then built the nanoribbons on top of a gold catalyst heated inside a vacuum chamber, and Crommie's team used a scanning tunneling microscope to confirm the electronic structure of the nanoribbon. It perfectly matched Louie's theory and calculations. The hybrid nanoribbons they made had between 50 and 100 junctions, each occupied by an individual electron able to quantum mechanically interact with its neighbors.

"When you heat the building blocks, you get a patchwork quilt of molecules knitted together into this beautiful nanoribbon, " Crommie said. "But because the different molecules can have different structures, the nanoribbon can be designed to have interesting new properties."

Fischer said that the length of each segment of nanoribbon can be varied to change the distance between trapped electrons, thus changing how they interact quantum mechanically. When close together the electrons interact strongly and split into two quantum states (bonding and anti-bonding) whose properties can be controlled, allowing the fabrication of new 1D metals and insulators. When the trapped electrons are slightly more separated, imidlertid, they act like small, quantum magnets (spins) that can be entangled and are ideal for quantum computing.

"This provides us with a completely new system that alleviates some of the problems expected for future quantum computers, such as how to easily mass-produce highly precise quantum dots with engineered entanglement that can be incorporated into electronic devices in a straightforward way, " Fischer said.

Co-lead authors of the paper are Daniel Rizzo and Ting Cao from the Department of Physics and Gregory Veber from the Department of Chemistry, along with their colleagues Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao and Henry Rodriguez. Fischer and Crommie are both members of the Kavli Energy NanoSciences Institute at UC Berkeley and Berkeley Lab.