Forskare experimenterar med smala remsor av grafen, kallade nanoband, i hopp om att göra coola nya elektroniska enheter, men University of California, Berkeley-forskare har upptäckt en annan möjlig roll för dem:som elektronfällor i nanoskala med potentiella tillämpningar i kvantdatorer.

grafen, ett ark av kolatomer ordnade i en styv, bikakegaller som liknar hönsnät, har sina egna intressanta elektroniska egenskaper. Men när forskare klipper av en remsa som är mindre än cirka 5 nanometer bred – mindre än en tiotusendel av ett mänskligt hårstrå – får nanorbandet av grafen nya kvantegenskaper, vilket gör det till ett potentiellt alternativ till kiselhalvledare.

UC Berkeley teoretiker Steven Louie, professor i fysik, förutspådde förra året att sammanfogning av två olika typer av nanoband skulle kunna ge ett unikt material, en som immobiliserar enstaka elektroner i korsningen mellan bandsegmenten.

För att åstadkomma detta, dock, elektron-"topologin" för de två nanobandbitarna måste vara olika. Topologi hänvisar här till den form som fortplantande elektrontillstånd antar när de rör sig kvantmekaniskt genom ett nanoband, en subtil egenskap som hade ignorerats i grafen nanoband tills Louies förutsägelse.

Två av Louies kollegor, kemisten Felix Fischer och fysikern Michael Crommie, blev upphetsad av hans idé och de potentiella tillämpningarna av att fånga elektroner i nanoband och gick ihop för att testa förutsägelsen. Tillsammans kunde de experimentellt demonstrera att korsningar av nanoband med rätt topologi upptas av individuella lokaliserade elektroner.

Ett nanorband gjort enligt Louies recept med omväxlande bandremsor av olika bredder, bildar ett nanoband supergitter, producerar en kongalinje av elektroner som interagerar kvantmekaniskt. Beroende på remsornas avstånd från varandra, det nya hybrid nanorbandet är antingen en metall, en halvledare eller en kedja av qubits, grundelementen i en kvantdator.

"Detta ger oss ett nytt sätt att kontrollera de elektroniska och magnetiska egenskaperna hos grafen nanoband, sa Crommie, en UC Berkeley professor i fysik. "Vi ägnade år åt att ändra egenskaperna hos nanoband med mer konventionella metoder, men att leka med deras topologi ger oss ett kraftfullt nytt sätt att modifiera de grundläggande egenskaperna hos nanoband som vi aldrig misstänkt existerade förrän nu."

Louies teori antyder att nanoband är topologiska isolatorer:ovanliga material som är isolatorer, det är, icke-ledande i det inre, men metalliska ledare längs deras yta. Nobelpriset i fysik 2016 tilldelades tre vetenskapsmän som först använde topologins matematiska principer för att förklara konstiga, materias kvanttillstånd, klassificeras nu som topologiska material.

Tredimensionella topologiska isolatorer leder elektricitet längs sina sidor, ark av 2-D topologiska isolatorer leder elektricitet längs sina kanter, och dessa nya 1D nanorribbon topologiska isolatorer har motsvarigheten till nolldimensionella (0D) metaller vid sina kanter, med förbehållet att en enda 0D-elektron vid en bandövergång är begränsad i alla riktningar och inte kan röra sig någonstans. Om en annan elektron på liknande sätt fångas i närheten, dock, de två kan tunnla längs nanobandet och mötas via kvantmekanikens regler. Och spinn av intilliggande elektroner, om det är rätt avstånd, bör trassla in sig så att justering av en påverkar de andra, en funktion som är väsentlig för en kvantdator.

Syntesen av hybridnanobanden var en svår bedrift, sa Fischer, en UC Berkeley professor i kemi. Medan teoretiker kan förutsäga strukturen hos många topologiska isolatorer, det betyder inte att de kan syntetiseras i den verkliga världen.

"Här har du ett väldigt enkelt recept för hur man skapar topologiska tillstånd i ett material som är mycket tillgängligt, " sade Fischer. "Det är bara organisk kemi. Syntesen är inte trivial, beviljats, men vi kan göra det. Detta är ett genombrott genom att vi nu kan börja fundera på hur vi ska använda detta för att uppnå nya, oöverträffade elektroniska strukturer."

Forskarna kommer att rapportera sin syntes, teori och analys i numret av tidskriften den 9 augusti Natur . Louie, Fischer och Crommie är också fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Sticka ihop nanorband

Louie, som är specialiserad på kvantteorin om ovanliga former av materia, från supraledare till nanostrukturer, 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, dock, 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.