Por Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) 26 de septiembre de 2023
Los investigadores de Empa y sus colaboradores internacionales han unido con éxito electrodos de nanotubos de carbono a nanocintas individuales atómicamente precisas. Crédito: Empa
Los científicos utilizan nanocintas de grafeno únicas.
La tecnología cuántica es inmensamente prometedora, pero está plagada de complejidad. Se espera que marque el comienzo de una serie de avances tecnológicos en las próximas décadas y debería ofrecernos sensores más compactos y precisos, redes de comunicación sólidamente seguras y computadoras de alta capacidad. Estos avances superarán las capacidades de las tecnologías informáticas actuales y ayudarán a desarrollar rápidamente nuevos medicamentos y materiales, controlar los mercados financieros y mejorar la previsión meteorológica.
Para obtener estos beneficios, necesitamos lo que llamamos materiales cuánticos, que exhiben importantes efectos físicos cuánticos. Uno de estos materiales es el grafeno. Esta forma estructural bidimensional del carbono tiene propiedades físicas inusuales, como resistencia a la tracción y una conductividad térmica y eléctrica extraordinariamente alta, así como ciertos efectos cuánticos. Restringir aún más el material ya bidimensional, por ejemplo dándole una forma similar a una 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 de Empa Transport at Nanoscale Interfaces, dirigidos por Michel Calame, llevan varios años investigando las 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 agregarles otros átomos, se les puede otorgar todo tipo de propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas».
Las propiedades de las nanocintas varían según el ancho y la forma de los bordes. Crédito: Empa
Máxima precisión: hasta los átomos individuales
La investigación de tendencias prometedoras 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 recientemente en la revista Nature Electronics, Perrin y el investigador de Empa Jian Zhang, junto con un equipo internacional, pudieron contactar por primera vez nanocintas de grafeno largas y atómicamente precisas. No es una tarea trivial: «Una nanocinta de grafeno de sólo nueve átomos de carbono de ancho mide sólo 1 nanómetro de ancho», dice Zhang. Para garantizar que solo entre en contacto una nanocinta, los investigadores emplearon electrodos de tamaño similar: utilizaron nanotubos de carbono que también tenían solo 1 nanómetro de diámetro.
La precisión es clave para un experimento tan delicado. Todo 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 Façal. «Roman Façal y su equipo llevan mucho tiempo trabajando con 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 de 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 Beijing, y para interpretar Para obtener 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», subraya Zhang.
Las cintas extremadamente estrechas con bordes atómicamente precisos muestran fuertes efectos cuánticos, lo que las hace especialmente interesantes para los investigadores. Crédito: Empa
El contacto de hebras individuales con nanotubos representó un desafío considerable para los investigadores. «Los nanotubos de carbono y las nanocintas de grafeno se cultivan en sustratos separados», explica Zhang. “En primer lugar, 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», dice Perrin.
De ordenadores a convertidores de potencia
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. Pero se apresura a añadir otra cualidad particularmente prometedora de las nanocintas de grafeno: «Debido al tamaño extremadamente pequeño de estas nanocintas, esperamos que sus efectos cuánticos sean tan robustos 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 electrones y fonones a nanoescala, sino también para explorar 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 de este tipo podría servir como qubit, la unidad de información más pequeña en una computadora cuántica. Además, Perrin, en el contexto de su recientemente obtenida ERC Starting Grant y una SNSF Eccellenza Professorial Fellowship, planea explorar el uso de nanocintas como convertidores de energía altamente eficientes. En su discurso inaugural en la ETH Zurich, describe un mundo en el que podemos aprovechar la electricidad a partir de las diferencias de temperatura, sin apenas perder energía en forma de calor: esto sería, de hecho, un verdadero salto cuántico.
Colaboración internacional
Varios grupos de investigación hicieron importantes contribuciones a este proyecto. Las nanocintas de grafeno fueron cultivadas por el laboratorio nanotech@surfaces de Empa, dirigido por Roman Nuncal, basándose en moléculas precursoras proporcionadas por el equipo de Klaus Müllen en el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz.
Las nanocintas fueron integradas en dispositivos nanofabricados por miembros del laboratorio Transport at Nanoscale Interfaces de Empa, dirigido por Michel Calame, del que forma parte el grupo de Mickael Perrin. Los nanotubos de carbono alineados con precisión y de alta calidad necesarios para este estudio específico fueron proporcionados por el grupo de investigación de Jin Zhang en la Universidad de Pekín. Finalmente, para interpretar los resultados del estudio, los investigadores de Empa colaboraron con científicos computacionales de la Universidad de Warwick bajo la supervisión de Hatef Sadeghi.
Referencia: “Contacto con nanocintas de grafeno individuales utilizando electrodos de nanotubos de carbono” por Jian Zhang, Liu Qian, Gabriela Borin Barin, Abdalghani HS Daaoub, Peipei Chen, Klaus Müllen, Sara Sangtarash, Pascal Ruffieux, Roman Façal, Hatef Sadeghi, Jin Zhang, Michel Calame y Mickael L. Perrin, 14 de agosto de 2023, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-023-00991-3
