Модификация наночастиц графена для возможного развития точных нанотранзисторов или даже квантовых компьютеров

]

Когда графеновые наноуглероды содержат участки различной ширины, в переходной зоне могут создаваться надежные новые квантовые состояния. (Изображение: Empa)

Исследователи из Эмпы работали вместе с сотрудниками Института полимерных исследований им. Макса Планка в Майнце и других партнеров для достижения прогресса, который может быть применен для разработки точных нанотранзисторов в будущем или, в отдаленном будущем, возможно, даже квантовых компьютеров, о чем сообщала команда в последнем выпуске Nature научном журнале.

Хотя понятие материала, состоящего из атомов одного элемента, но имеющего совершенно разные характеристики, основанные на атомном расположении, может звучать странно, на самом деле это возможно с графеновыми наноуглеродами. Ленты с шириной всего нескольких атомов углерода и толщиной точно одного атома имеют сильно отличающиеся электронные свойства, основанные на их ширине и форме: полупроводнике, проводнике или изоляторе. В настоящее время международная команда исследователей, возглавляемая лабораторией Эмпы [email protected]успешно настроила характеристики лент, особенно изменяя их форму. Эта технология имеет уникальную особенность: помимо возможности модифицировать «обычные» электронные характеристики, упомянутые выше, ее можно даже использовать для создания конкретных локальных квантовых состояний.

Итак, как это работает? Изменение ширины узкого графенового наноуглерода, имеющего здесь от семи до девяти атомов, приводит к образованию особой зоны при переходе: поскольку электронные характеристики этих двух областей изменяются по уникальной топографической манере, «Защищенный» и, следовательно, высокопрочное новое квантовое состояние формируется в переходной зоне. Это локальное электронное квантовое состояние может быть легко использовано в качестве фундаментального компонента для разработки индивидуальных полупроводников, металлов или изоляторов и, возможно, даже в качестве компонента в квантовых компьютерах

Исследователи из Empa, возглавляемые Оливером Грёнином, смогли продемонстрировать, что производство этих лент с регулярно чередующимися зонами различной ширины приводит к образованию цепочки взаимосвязанных квантовых состояний с собственной электронной структурой из-за многочисленных переходов. Увлекательный аспект заключается в том, что электронные характеристики цепи изменяются в зависимости от ширины различных сегментов. Это позволяет их деликатно регулировать – от проводников до полупроводников с различными запрещенными зазорами. Эту концепцию можно применить к различным типам переходных зон – например, от семи до одиннадцати атомов.

Важность этого развития также подчеркивается тем фактом, что исследовательская группа из Калифорнийского университета в Беркли пришла к подобным результатам независимо от нас .

Оливер Грёнинг, главный научный сотрудник, Эмпа

На пути к наноэлектронике

Высокоточные нанотранзисторы могут быть изготовлены в будущем на основе этих инновационных квантовых цепей, что является основным шагом на пути к наноэлектронике. Зазоре полупроводника определяет, является ли расстояние переключения между «1» и «0» состоянием нанотранзистора в действительности достаточно большим – и полосу пропускания можно настроить почти по требованию с помощью новой техники.

Однако на самом деле это не так просто: для того, чтобы цепь имела желаемые электронные характеристики, необходимо, чтобы каждая из нескольких сотен или даже тысяч атомов находилась в правильном месте.

]

Это основано на сложных междисциплинарных исследованиях . Исследователи из разных дисциплин в Дюбендорфе, Майнце, Дрездене и Трое (США) работали вместе – от теоретического понимания и специфического знания о том, как должны быть созданы молекулы-прекурсоры и как выборочно вырабатываются структуры на поверхностях до структурного и электронного анализа с использованием сканирующего туннельного микроскопа .

Оливер Грёнинг, главный научный сотрудник, Эмпа

Экскурсия в квантовое царство

Ultrasmall транзисторы, которые являются следующей остановкой в ​​дальнейших миниатюризированных электронных схемах, являются очевидными вероятностями применения здесь: несмотря на то, что технически трудно достичь, на самом деле электроника на основе нанотранзисторов работает в основном аналогично существующей микроэлектронике. Полупроводниковые нанороботы, разработанные исследователями Empa, позволят использовать транзисторы с поперечным сечением канала, который в 1000 раз меньше по сравнению с теми, которые обычно производятся в настоящее время. Тем не менее, дальнейшие возможности можно также визуализировать, например, в области спинтроники или даже квантовой информатики.

Это связано с тем, что электронные квантовые состояния на графеновых наноуглеродных переходах различной ширины также могут нести магнитный момент. Это могло бы сделать возможным обрабатывать информацию, не используя заряд, как это было сделано ранее, но используя предполагаемое вращение в переносном смысле «направления вращения» состояния. И продвижение могло даже достичь еще одного шага. « Мы заметили, что топологические конечные состояния встречаются на концах определенных квантовых цепей. Это дает возможность использовать их в качестве элементов так называемых кубитов – сложных, взаимосвязанных состояний в квантовом компьютере – объяснил Оливер Грёнинг.

Однако создание квантовых компьютеров с нанорибонов непросто – требуется больше исследований, заявил Грёнинг: «. Возможность гибкой настройки электронных свойств посредством целенаправленной комбинации отдельных квантовых состояний представляет собой большой скачок для нас в производстве новых материалов для ультраминиатюрных транзисторов . «Реальность, что эти материалы стабильны в условиях окружающей среды, играет жизненно важную роль в продвижении будущих приложений.

Дальнейший потенциал цепей для создания локальных квантовых состояний и связывания их вместе целенаправленным образом также увлекателен . . Однако этот потенциал может быть использован для будущих квантовых компьютеров. Недостаточно создавать локализованные топологические состояния в наноуглеродах – они также должны быть связаны с другими материалами, такими как сверхпроводники, таким образом, чтобы условия для кубитов были фактически выполнены .

Оливер Грёнинг, главный научный сотрудник, Эмпа

Source link