Las nanocintas de grafeno tienen propiedades excepcionales que pueden controlarse con precisión. Investigadores de Empa y ETH Zurich, en colaboración con socios de la Universidad de Pekín, la Universidad de Warwick y el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, han logrado unir electrodos a nanocintas individuales atómicamente precisas, allanando el camino para una caracterización precisa de las fascinantes cintas y su posible uso en tecnología cuántica.
La tecnología cuántica es prometedora, pero también desconcertante. En las próximas décadas, se espera que nos proporcione diversos avances tecnológicos:sensores más pequeños y precisos, redes de comunicación altamente seguras y potentes computadoras que pueden ayudar a desarrollar nuevos medicamentos y materiales, controlar los mercados financieros y predecir el clima mucho más rápido que antes. La tecnología informática actual jamás podría hacerlo.
Para lograrlo, necesitamos los llamados materiales cuánticos:sustancias que exhiban efectos físicos cuánticos pronunciados. Uno de esos materiales es el grafeno. Esta forma estructural bidimensional de carbono tiene propiedades físicas inusuales, como una resistencia a la tracción y una conductividad térmica y eléctrica extraordinariamente altas, así como ciertos efectos cuánticos. Restringir aún más el material, que ya es bidimensional, dándole, por ejemplo, una forma de cinta, da lugar a una serie de efectos cuánticos controlables.
Esto es precisamente lo que el equipo de Mickael Perrin aprovecha en su trabajo. Desde hace varios años, los científicos del laboratorio Transport at Nanoscale Interfaces de Empa, dirigidos por Michel Calame, llevan a cabo investigaciones sobre nanocintas de grafeno bajo la dirección de Perrin. "Las nanocintas de grafeno son incluso más fascinantes que el propio grafeno", explica Perrin. "Al variar su longitud y ancho, así como la forma de sus bordes, y al agregarles otros átomos, se les puede otorgar todo tipo de propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas".
Máxima precisión:hasta átomos individuales
La investigación sobre estas prometedoras cintas no es fácil. Cuanto más estrecha es la cinta, más pronunciadas son sus propiedades cuánticas, pero también resulta más difícil acceder a una sola cinta a la vez. Esto es precisamente lo que hay que hacer para comprender las características únicas y las posibles aplicaciones de este material cuántico y distinguirlas de los efectos colectivos.
En un nuevo estudio publicado en la revista Nature Electronics , Perrin y el investigador de Empa Jian Zhang, junto con un equipo internacional, lograron por primera vez contactar nanocintas de grafeno individuales, largas y atómicamente precisas. "Una nanocinta de grafeno que tiene sólo nueve átomos de carbono de ancho mide tan solo 1 nanómetro de ancho", dice Zhang. Para garantizar que solo entre en contacto una nanocinta, los investigadores emplearon electrodos de un tamaño similar. Utilizaron nanotubos de carbono que también tenían sólo 1 nanómetro de diámetro.
La precisión es clave para un experimento tan delicado. Comienza con los materiales originales. Los investigadores obtuvieron las nanocintas de grafeno a través de una sólida y duradera colaboración con el laboratorio nanotech@surfaces de Empa, dirigido por Roman Fasel. "Roman Fasel y su equipo llevan mucho tiempo trabajando en nanocintas de grafeno y pueden sintetizar muchos tipos diferentes con precisión atómica a partir de moléculas precursoras individuales", explica Perrin. Las moléculas precursoras proceden del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros de Maguncia.
Como suele ser necesario para avanzar en el estado del arte, la interdisciplinariedad es clave, y participaron diferentes grupos de investigación internacionales, cada uno de los cuales aportó su propia especialidad. Los nanotubos de carbono fueron cultivados por un grupo de investigación de la Universidad de Pekín y, para interpretar los resultados del estudio, los investigadores de Empa colaboraron con científicos computacionales de la Universidad de Warwick. "Un proyecto como este no sería posible sin colaboración", enfatiza Zhang.
El contacto de cintas individuales con nanotubos supuso un desafío considerable para los investigadores. "Los nanotubos de carbono y las nanocintas de grafeno se cultivan en sustratos separados", explica Zhang. "Primero, los nanotubos deben transferirse al sustrato del dispositivo y ponerse en contacto con electrodos metálicos. Luego los cortamos con litografía por haz de electrones de alta resolución para separarlos en dos electrodos". Finalmente, las cintas se transfieren al mismo sustrato. La precisión es clave:incluso la más mínima rotación de los sustratos puede reducir significativamente la probabilidad de un contacto exitoso. "Tener acceso a una infraestructura de alta calidad en el Centro de Nanotecnología Binnig y Roher de IBM Research en Rüschlikon fue esencial para probar e implementar esta tecnología", afirma Perrin.
De los ordenadores a los convertidores de energía
Los científicos confirmaron el éxito de su experimento mediante mediciones del transporte de carga. "Dado que los efectos cuánticos suelen ser más pronunciados a bajas temperaturas, realizamos las mediciones a temperaturas cercanas al cero absoluto en alto vacío", explica Perrin. Y añade:"Debido al tamaño extremadamente pequeño de estas nanocintas, esperamos que sus efectos cuánticos sean tan potentes que sean observables incluso a temperatura ambiente".
Esto, afirma el investigador, podría permitirnos diseñar y operar chips que aprovechen activamente los efectos cuánticos sin la necesidad de una infraestructura de refrigeración elaborada.
"Este proyecto permite la realización de dispositivos de nanocintas individuales, no sólo para estudiar efectos cuánticos fundamentales, como el comportamiento de los electrones y fonones a nanoescala, sino también para explotar dichos efectos para aplicaciones en conmutación cuántica, detección cuántica y conversión de energía cuántica". añade Hatef Sadeghi, profesor de la Universidad de Warwick que colaboró en el proyecto.
Las nanocintas de grafeno aún no están listas para aplicaciones comerciales y todavía queda mucha investigación por hacer. En un estudio de seguimiento, Zhang y Perrin pretenden manipular diferentes estados cuánticos en una sola nanocinta. Además, planean crear dispositivos basados en dos cintas conectadas en serie, formando el llamado doble punto cuántico.
Un circuito así podría servir como un qubit, la unidad de información más pequeña en una computadora cuántica. Perrin planea explorar el uso de nanocintas como convertidores de energía altamente eficientes.
Más información: Jian Zhang et al, Contacto con nanocintas de grafeno individuales mediante electrodos de nanotubos de carbono, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
Proporcionado por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales
