Los científicos están experimentando con tiras estrechas de grafeno, llamadas nanocintas, con la esperanza de fabricar nuevos y geniales dispositivos electrónicos, pero la Universidad de California, Los científicos de Berkeley han descubierto otro posible papel para ellos:como trampas de electrones a nanoescala con aplicaciones potenciales en computadoras cuánticas.

Grafeno una hoja de átomos de carbono dispuestos en forma rígida, celosía de nido de abeja que se asemeja a una malla de gallinero, tiene interesantes propiedades electrónicas propias. Pero cuando los científicos cortan una tira de menos de unos 5 nanómetros de ancho (menos de una diezmilésima parte del ancho de un cabello humano), la nanocinta de grafeno adquiere nuevas propiedades cuánticas, convirtiéndolo en una alternativa potencial a los semiconductores de silicio.

Steven Louie, teórico de UC Berkeley, un profesor de física, predijo el año pasado que unir dos tipos diferentes de nanocintas podría producir un material único, uno que inmoviliza electrones individuales en la unión entre los segmentos de la cinta.

Para lograr esto, sin embargo, la "topología" electrónica de las dos piezas de nanocintas debe ser diferente. La topología aquí se refiere a la forma que adoptan los estados de propagación del electrón a medida que se mueven mecánicamente cuánticamente a través de una nanocinta, una propiedad sutil que se había ignorado en las nanocintas de grafeno hasta la predicción de Louie.

Dos de los colegas de Louie, el químico Felix Fischer y el físico Michael Crommie, se emocionó con su idea y las posibles aplicaciones de atrapar electrones en nanocintas y se unieron para probar la predicción. Juntos pudieron demostrar experimentalmente que las uniones de nanocintas que tienen la topología adecuada están ocupadas por electrones localizados individuales.

Una nanocinta hecha de acuerdo con la receta de Louie con tiras de cinta alternas de diferentes anchos, formando una superrejilla de nanocintas, produce una línea de conga de electrones que interactúan mecánicamente cuánticamente. Dependiendo de la distancia entre las tiras, la nueva nanocinta híbrida es un metal, un semiconductor o una cadena de qubits, los elementos básicos de una computadora cuántica.

"Esto nos brinda una nueva forma de controlar las propiedades electrónicas y magnéticas de las nanocintas de grafeno, "dijo Crommie, profesor de física de UC Berkeley. "Pasamos años cambiando las propiedades de las nanocintas utilizando métodos más convencionales, pero jugar con su topología nos brinda una nueva y poderosa forma de modificar las propiedades fundamentales de las nanocintas que nunca sospechamos que existieran hasta ahora ".

La teoría de Louie implica que las nanocintas son aislantes topológicos:materiales inusuales que son aislantes, es decir, no conductor en el interior, pero conductores metálicos a lo largo de su superficie. El Premio Nobel de Física de 2016 se otorgó a tres científicos que utilizaron por primera vez los principios matemáticos de la topología para explicar extraños, estados cuánticos de la materia, ahora clasificados como materiales topológicos.

Los aisladores topológicos tridimensionales conducen la electricidad a lo largo de sus lados, láminas de aislantes topológicos 2-D conducen electricidad a lo largo de sus bordes, y estos nuevos aisladores topológicos de nanocintas 1D tienen el equivalente de metales de dimensión cero (0D) en sus bordes, con la salvedad de que un solo electrón 0D en una unión de cinta está confinado en todas las direcciones y no puede moverse a ninguna parte. Si otro electrón está atrapado de manera similar cerca, sin embargo, los dos pueden hacer un túnel a lo largo de la nanocinta y encontrarse a través de las reglas de la mecánica cuántica. Y los espines de electrones adyacentes, si está espaciado correctamente, debe enredarse de modo que modificar uno afecte a los demás, una característica que es esencial para una computadora cuántica.

La síntesis de nanocintas híbridas 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 se puedan sintetizar en el mundo real.

"Aquí tienes 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, otorgado, Pero nosotros podemos hacerlo. Este es un gran avance en el sentido de que ahora podemos comenzar a pensar en cómo usar esto para lograr nuevos estructuras electrónicas sin precedentes ".

Los investigadores informarán de su síntesis, teoría y análisis en la edición del 9 de agosto de la revista Naturaleza . Louie, Fischer y Crommie también son científicos de la facultad del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Tejer nanocintas juntas

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, sin embargo, 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.