"Topološki" grafonski nanoriboni ujamejo elektrone za nove kvantne materiale

Anonim

Znanstveniki eksperimentirajo z ozkim trakom grafena, ki se imenujejo nanoriboni, v upanju, da bi ustvarili kul nove elektronske naprave, vendar so Univerza v Kaliforniji, znanstveniki Berkeleya, odkrili še eno možno vlogo: kot nanosne elektronske pasti z možnimi aplikacijami v kvantnih računalnikih.

Grafen, list ogljikovih atomov, razporejen v togi satni rešetki, ki spominja na piščančje žice, ima zanimive elektronske lastnosti. Toda, ko so znanstveniki odrezali trak manj kot približno 5 nanometrov širine manj kot ene deset tisočete širine človeškega lasa, grafenski nanoribon prevzame nove kvantne lastnosti, zaradi česar je možna alternativa silicijskim polprevodnikom.

Teoretik UC Berkeleyja, profesor fizike Steven Louie, je lani napovedal, da bi združitev dveh različnih vrst nanobibonov lahko prinesla edinstven material, ki imobilizira posamezne elektrone na stičišču med trakovi.

Za dosego tega pa mora biti elektronska "topologija" dveh nanobibnih kosov drugačna. Topologija tukaj se nanaša na obliko, ki jo razmnožujoča elektronska stanja sprejemajo, ko se mehansko premikajo skozi nanobibbon, subtilno lastnost, ki je bila v grafinskih nanoribonih ignorirana do napovedi Louieja.

Dva od sodelavcev Louieja, kemik Felix Fischer in fizik Michael Crommie, sta se navdušila nad idejo in potencialnimi aplikacijami zajemanja elektronov v nanoribonih in se združila, da bi testirala napoved. Skupaj so lahko eksperimentalno dokazali, da kroge nanoribonov, ki imajo ustrezno topologijo, zasedajo posamezni lokalizirani elektroni.

Nanobibbon, izdelan po Louiejevem receptu z izmenljivimi trakovi z različnimi širinami, ki tvorijo nanobibbonsko premočrtino, ustvarja linijo kongov elektronov, ki kvantno mehansko interagirajo. Novi hibridni nanoribbon je odvisen od razdalje med trakovi, bodisi kovina, polprevodnik ali veriga kubic, osnovni elementi kvantnega računalnika.

"To nam daje nov način za nadzor elektronskih in magnetnih lastnosti grafonskih nanoribonov, " je dejal Crommie, profesor fizike v Berlinu. "Več let smo spreminjali lastnosti nanoribonov z uporabo bolj običajnih metod, a igranje s svojo topologijo nam daje močan nov način za spreminjanje temeljnih lastnosti nanoribonov, za katere nikoli ne sumimo, da so obstajali do sedaj."

Louieova teorija implicira, da so nanoriboni topološki izolatorji: nenavadni materiali, ki so izolatorji, to je neprevodni material v notranjosti, ampak kovinski vodniki vzdolž njihove površine. Nobelova nagrada za fiziko leta 2016 je bila podeljena trije znanstveniki, ki so najprej uporabili matematična načela topologije, da bi razložili nenavadne, kvantne stanj snovi, ki so zdaj razvrščene kot topološki materiali.

Tridimenzionalni topološki izolatorji vodijo električno energijo ob straneh, listi 2-D topoloških izolatorjev vodijo električno energijo vzdolž njihovih robov in ti novi 1D nanoribbonski topološki izolatorji imajo na svojih robovih ekvivalent ničelnih (0D) kovin, pri čemer opozorilo, da en elektron 0D na traku je omejen v vse smeri in se ne more seliti nikamor. Če je drug podoben v bližini v bližini, pa se lahko dva tunela vzdolž nanobibna in se srečata s pravili kvantne mehanike. In spinovi sosednjih elektronov, če so razmaknjeni ravno desno, bi se morali zapletati, tako da tweaking eno vpliva na druge, značilnost, ki je bistvena za kvantni računalnik.

Sinteza hibridnih nanoribonov je bila težka naloga, je dejal Fischer, profesor kemije UC Berkeley. Medtem ko teoretiki lahko napovedujejo strukturo mnogih topoloških izolatorjev, to ne pomeni, da jih je mogoče sintetizirati v resničnem svetu.

"Tukaj imate zelo preprost recept, kako ustvariti topološka stanja v materialu, ki je zelo dostopen, " je dejal Fischer. "To je samo organska kemija. Sinteza ni trivialna, dodeljena, vendar lahko to storimo. To je preboja, da zdaj lahko začnemo razmišljati o tem, kako to uporabiti za doseganje novih, brez primere elektronskih struktur."

Raziskovalci bodo poročali o sintezi, teoriji in analizi v izdaji revije Nature 9. avgusta. Louie, Fischer in Crommie so tudi znanstveni delavci v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley.

Pletilni nanoriboni skupaj

Louie, ki je specializirana za kvantno teorijo nenavadnih oblik snovi, od superprevodnikov do nanostruktur, je avtorica dokumenta iz leta 2017, ki je opisala, kako narediti grafene nanoribbonske kroge, ki izkoriščajo teoretično odkritje, da so nanoriboni 1D topološki izolatorji. Njegov recept je zahteval tako imenovane topološko trivialne nanoribone in jih združil s topološko nenevarnimi nanoribonami, kjer je Louie pojasnil, kako razkriti razliko med obema, tako da pogleda na obliko kvantno mehanskih stanj, ki jih elektroni sprejemajo v trakovih.

Fischer, ki je specializiran za sintezo in karakterizacijo nenavadnih nanomolekul, je odkril nov način izdelave atomsko natančnih nanobibbonskih struktur, ki bi te lastnosti pokazale iz kompleksnih ogljikovih spojin na osnovi antracena.

Sodelovali so skupaj z raziskovalnimi skupinami Fischerjeve in Crommieja, nato pa so zgradili nanoribone na vrhu zlatega katalizatorja, segretega v vakuumski komori, Crommieova ekipa pa je uporabila skenirni tunelski mikroskop za potrditev elektronske strukture nanobibna. Popolnoma se je ujemala z Louiejevo teorijo in izračuni. Hibridni nanoriboni, ki so jih naredili, so imeli med 50 in 100 križišči, vsaka s posameznim elektronom, ki lahko kvantno mehanično sodeluje s svojimi sosedami.

"Ko segrejete gradbene bloke, dobite oblogo molekul, ki so pletene skupaj v ta lep nanobibbon", je dejal Crommie. "Ampak, ker imajo različne molekule različne strukture, je nanobibbon lahko zasnovan tako, da ima zanimive nove lastnosti."

Fischer je dejal, da lahko dolžino vsakega segmenta nanoribona spreminjamo, da spremenimo razdaljo med ujetimi elektroni in s tem spremenimo, kako mehansko interagirajo kvantno. Kadar blizu, elektroni močno interagirajo in se razcepijo na dve kvantni točki (povezovanje in preprečevanje spojev), katerih lastnosti je mogoče nadzorovati, kar omogoča izdelavo novih 1D kovin in izolatorjev. Ko so ujeti elektroni nekoliko bolj ločeni, pa delujejo kot majhni, kvantni magneti (zavrti), ki se lahko zapletajo in so idealni za kvantno računanje.

"To nam daje popolnoma nov sistem, ki ublaži nekatere težave, ki se pričakujejo za prihodnje kvantne računalnike, na primer, kako enostavno množično proizvajajo zelo natančne kvantne pike z zasnovanim zapletom, ki jih je mogoče preprosto vključiti v elektronske naprave", Fischer rekel.

Sodelujoči avtorji tega prispevka sta Daniel Rizzo in Ting Cao z oddelka za fiziko in Gregory Veber s Kemijskega oddelka, skupaj s svojimi kolegi Christopherom Bronnerjem, Ting Chenom, Fangzhou Zhaojem in Henryjem Rodriguezom. Fischer in Crommie sta oba člana Inštituta Kavli Energy NanoSciences na UC Berkeley in laboratoriju Berkeley.

menu
menu