石墨烯纳米带中的量子链

由单个元素的原子组成的材料，但根据原子排列具有完全不同的特性 - 这可能听起来很奇怪，但实际上是石墨烯纳米带的现实。这些带只有几个碳原子宽且正好一个原子厚，根据它们的形状和宽度具有非常不同的电子特性：导体，半导体或绝缘体。由Empa的“纳米技术@表面”领导的国际研究团队。

实验室现在已成功通过专门改变其形状来精确调整色带的特性。该技术的特殊之处在于，不仅可以改变上述“常用”电子特性 - 它还可以用于产生特定的局部量子态。

那背后是什么呢?如果窄石墨烯纳米带的宽度发生变化，在这种情况下从7到9个原子，则在过渡处产生一个特殊区域：因为这两个区域的电子特性在一种特殊的，所谓的拓扑方式上是不同的， “因此在过渡区产生了非常强大的新量子态。这种局部电子量子态现在可以用作生产定制半导体，金属或绝缘体的基本组件 - 甚至可能用作量子计算机中的组件。

在OliverGröning领导下的Empa研究人员能够证明，如果这些色带是由具有不同宽度的规则交替区域构建的，则通过众多过渡产生一系列具有其自身电子结构的相互连接的量子态。令人兴奋的是，链条的电子特性会根据不同部分的宽度而变化。这使得它们可以进行精细调整 - 从导体到具有不同带隙的半导体。该原理可应用于许多不同类型的过渡区 - 例如，从7到11个原子。

“加利福尼亚大学伯克利分校的一个研究小组独立于我们得出了类似的结果，这一事实也凸显了这一发展的重要性，”格伦宁说。美国研究小组的工作已发表在同一期“ 自然”杂志上。

在去纳电子的路上

基于这些新型量子链，未来可以制造出精密的纳米晶体管 - 这是纳米电子学的一个重要步骤。纳米晶体管的“1”状态和“0”状态之间的切换距离实际上是否足够大取决于半导体的带隙 - 并且使用新方法，这几乎可以随意设置。

然而，实际上，这并不是那么简单：因为链具有所需的电子特性，所以几百甚至几千个原子中的每一个都必须在正确的位置。“这是基于复杂的跨学科研究，”Empa研究员Gröning说。“来自Dübendorf，Mainz，Dresden和Troy(美国)不同学科的研究人员共同合作 - 从理论上的理解和如何构建前体分子的具体知识，以及如何使用选择性生长表面上的结构进行结构和电子分析扫描隧道显微镜。“

探索量子领域

超小晶体管 - 这是电子电路进一步小型化的下一步 - 是这里明显的应用可能性：尽管它们在技术上具有挑战性，但基于纳米晶体管的电子设备实际上与当今的微电子技术基本相同。由Empa研究人员生产的半导体纳米带允许晶体管的通道横截面比现在通常制造的小1000倍。然而，还可以想象进一步的可能性，例如在自旋电子学或甚至量子信息学领域。

这是因为不同宽度的石墨烯纳米带的结处的电子量子态也可以携带磁矩。这可以使得有可能不按照以前的惯例处理信息，而是通过所谓的旋转 - 在比喻意义上来说，是国家的“旋转方向”。而且发展甚至可以更进一步。“我们观察到拓扑末端状态出现在某些量子链的末端。这提供了将它们用作所谓量子位元素的可能性 - 量子计算机中复杂的互锁状态，”OliverGröning解释说。

然而，今天和明天，没有量子计算机是由纳米带构建的 - 仍然需要进行大量研究，Gröning说：“通过各个量子态的有针对性组合灵活调整电子特性的可能性代表了我们的一次重大飞跃。用于生产超小型晶体管的新材料。“ 这些材料在环境条件下稳定的事实在未来应用的发展中起着重要作用。“链条创造局部量子态并以有针对性的方式将它们连接在一起的进一步发展潜力也令人着迷，”Gröning继续说道。“然而，这种潜力是否真的可以用于未来的量子计算机还有待观察。