اخبار – فناوری کوانتومی امیدوارکننده است، اما همچنین گیج کننده است. در دهه‌های آینده، انتظار می‌رود که پیشرفت‌های تکنولوژیکی مختلفی را برای ما فراهم کند: حسگرهای کوچکتر و دقیق‌تر، شبکه‌های ارتباطی بسیار ایمن و رایانه‌های قدرتمند که می‌توانند به تولید داروها و مواد جدید کمک کنند، بازارهای مالی را کنترل کنند و آب و هوا را بسیار سریع‌تر از رایانه فعلی پیش‌بینی کنند. تکنولوژی همیشه توانسته است
برای رسیدن به این هدف، ما به مواد به اصطلاح کوانتومی نیاز داریم: موادی که اثرات فیزیکی کوانتومی مشخصی از خود نشان می‌دهند. یکی از این مواد گرافن است. این شکل ساختاری دو بعدی کربن دارای خواص فیزیکی غیرعادی است، مانند استحکام کششی بسیار بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی – و همچنین اثرات کوانتومی خاصی. محدود کردن مواد دو بعدی بیشتر، به عنوان مثال با دادن یک شکل روبان مانند، منجر به طیف وسیعی از اثرات کوانتومی قابل کنترل می شود.
این دقیقاً همان چیزی است که تیم مایکل پرین در کار خود از آن استفاده می‌کند: برای چندین سال، دانشمندان آزمایشگاه حمل‌ونقل رابط نانومقیاس Empa به رهبری میشل کالام، تحت هدایت پرین تحقیقاتی را روی نانوروبان‌های گرافن انجام می‌دهند. پرین توضیح می‌دهد: «نانروبان‌های گرافن حتی از خود گرافن نیز جذاب‌تر هستند. با تغییر طول و عرض و شکل لبه‌های آنها و با افزودن اتم‌های دیگر به آنها، می‌توانید انواع خاصیت الکتریکی، مغناطیسی و نوری را به آنها بدهید.
دقت فوق العاده – تا اتم های منفرد
تحقیق درباره گروه‌های امیدوارکننده کار آسانی نیست. هرچه باند باریک تر باشد، ویژگی های کوانتومی آن مشخص تر است – اما دسترسی به یک باند در یک زمان نیز دشوارتر می شود. این دقیقاً همان کاری است که باید انجام شود تا ویژگی های منحصر به فرد و کاربردهای احتمالی این ماده کوانتومی را درک کرده و آنها را از اثرات جمعی متمایز کند.
در مطالعه جدیدی که اخیراً در ژورنال Nature Electronics منتشر شده است، محقق پرین و امپا، جیان ژانگ، همراه با یک تیم بین‌المللی، توانستند برای اولین بار نانوروبان‌های گرافن بلند و دقیق اتمی را به یکدیگر متصل کنند. ژانگ می‌گوید: «یک نانوروبان گرافن که تنها ۹ اتم کربن عرض دارد، تنها ۱ نانومتر عرض دارد. برای اطمینان از تماس تنها با یک نانوروبان، محققان از الکترودهایی با اندازه مشابه استفاده کردند: آنها از نانولوله های کربنی استفاده کردند که قطر آنها نیز تنها 1 نانومتر است.
دقت برای چنین آزمایش ظریفی کلیدی است. با مواد منبع شروع می شود. محققان نانوروبان های گرافن را از طریق همکاری قوی و طولانی مدت با آزمایشگاه سطوح نانوتکنولوژی Empa به رهبری رومن فاسل به دست آوردند. پرین توضیح می‌دهد: «رومن فاضل و تیمش برای مدت طولانی روی نانوروبان‌های گرافن کار کرده‌اند و می‌توانند انواع مختلفی را با دقت اتمی از مولکول‌های پیش‌ساز منفرد سنتز کنند. مولکول های پیش ساز از موسسه تحقیقات پلیمری ماکس پلانک در ماینز تهیه شده اند.
همانطور که اغلب برای پیشبرد وضعیت هنر مورد نیاز است، میان رشته‌ای بودن کلیدی است و گروه‌های تحقیقاتی بین‌المللی مختلفی در آن شرکت داشتند که هر کدام نشان دهنده تخصص خود بودند: نانولوله‌های کربنی توسط یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه پکن و برای تفسیر نتایج مطالعه محققان Empa رشد کردند. با دانشمندان محاسباتی دانشگاه وارویک همکاری کرد. ژانگ تاکید می کند: “پروژه ای مانند این بدون همکاری امکان پذیر نخواهد بود.”
اتصال نوارهای منفرد از طریق نانولوله ها چالش مهمی برای محققان است. ژانگ توضیح می‌دهد: «نانولوله‌های کربنی و نانوروبان‌های گرافن روی بسترهای جداگانه رشد می‌کنند. ابتدا باید نانولوله ها به زیرلایه دستگاه منتقل شده و به الکترودهای فلزی متصل شوند. سپس آنها را با لیتوگرافی پرتو الکترونی با وضوح بالا اچ می کنیم تا به دو الکترود تقسیم شوند. در نهایت، نوارها بر روی همان بستر منتقل می شوند. دقت کلید است: حتی کوچکترین چرخش بسترها می تواند احتمال تماس موفقیت آمیز را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. پرین می گوید: «دسترسی به زیرساخت های با کیفیت بالا در مرکز فناوری نانو Binnig و Roher در تحقیقات IBM در Rüschlikon برای آزمایش و اجرای این فناوری ضروری بود.
از کامپیوتر گرفته تا مبدل های انرژی
دانشمندان موفقیت آزمایش خود را از طریق اندازه گیری انتقال بار تایید کردند. پرین توضیح می‌دهد: «از آنجایی که اثرات کوانتومی معمولاً در دمای پایین بارزتر است، ما اندازه‌گیری‌ها را در دمای نزدیک به صفر مطلق در خلاء بالا انجام دادیم. اما او به سرعت کیفیت نویدبخش دیگری از نانوروبان‌های گرافن را اضافه می‌کند: «به دلیل اندازه بسیار کوچک این نانوروبان‌ها، ما انتظار داریم که اثرات کوانتومی آنها آنقدر قوی باشد که بتوان آنها را حتی در دمای اتاق مشاهده کرد.» این محقق می‌گوید. ، می تواند به ما امکان طراحی و کنترل تراشه هایی را بدهد که به طور فعال از اثرات کوانتومی بدون نیاز به زیرساخت های خنک کننده پیچیده بهره برداری می کنند.
این پروژه امکان تحقق دستگاه‌های نانوروبان منفرد را فراهم می‌کند، نه تنها برای مطالعه اثرات کوانتومی اساسی، مانند نحوه رفتار الکترون‌ها و فونون‌ها در مقیاس نانو، بلکه همچنین برای بهره‌برداری از چنین اثراتی برای کاربردهایی در سوئیچینگ کوانتومی، سنجش کوانتومی و تبدیل انرژی کوانتومی. هاتف صادقی، استاد دانشگاه وارویک که در این پروژه همکاری داشت، می‌افزاید.
نانوروبان‌های گرافن هنوز برای کاربردهای تجاری آماده نیستند و هنوز تحقیقات زیادی باید انجام شود. در یک مطالعه بعدی، ژانگ و پرین با هدف دستکاری حالات کوانتومی مختلف یک نانوروبان منفرد تلاش کردند. علاوه بر این، آنها قصد دارند دستگاه هایی را بر اساس دو نوار متصل به صورت سری ایجاد کنند و به اصطلاح یک نقطه کوانتومی دوگانه را تشکیل دهند. چنین مداری می تواند به عنوان یک کیوبیت – کوچکترین واحد اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی – عمل کند. علاوه بر این، پرین، در زمینه خود را به تازگی دریافت کرده است ERC Starting Grant و SNSF Eccellenza Professorship، قصد دارد استفاده از نانوروبان ها را به عنوان مبدل های انرژی بسیار کارآمد بررسی کند. در او سخنرانی مقدماتی در ETH زوریخاو تصویری از دنیایی ترسیم می‌کند که در آن می‌توانیم الکتریسیته را از اختلاف دما مهار کنیم در حالی که تقریباً هیچ انرژی به عنوان گرما از دست نمی‌دهیم – این در واقع یک جهش کوانتومی واقعی است.
همکاری بین المللی
چندین گروه تحقیقاتی سهم کلیدی در این پروژه داشتند. نانوروبان‌های گرافن توسط آزمایشگاه nanotech@surfaces Empa به رهبری رومن فاسل، بر اساس مولکول‌های پیش‌ساز ارائه‌شده توسط تیم کلاوس مولن در مؤسسه ماکس پلانک برای تحقیقات پلیمری در ماینتس رشد کردند. این نانوروبان‌ها توسط اعضای آزمایشگاه Empa برای حمل و نقل در رابط‌های نانومقیاس به سرپرستی Michel Calame که گروه Mickael Perrin در آن جاسازی شده‌اند، در دستگاه‌های نانوساخت‌شده ادغام شدند. نانولوله‌های کربنی با کیفیت بالا که برای این مطالعه خاص مورد نیاز است، توسط گروه تحقیقاتی جین ژانگ در دانشگاه پکن ارائه شد. در نهایت، برای تفسیر نتایج این مطالعه، محققان Empa با دانشمندان محاسباتی دانشگاه وارویک به رهبری هاتف صادقی همکاری کردند.
