Os cientistas estão fazendo experiências com tiras estreitas de grafeno, chamados nanofitas, na esperança de fazer novos dispositivos eletrônicos interessantes, mas a Universidade da Califórnia, Os cientistas de Berkeley descobriram outro papel possível para eles:como armadilhas de elétrons em nanoescala com aplicações potenciais em computadores quânticos.

Grafeno, uma folha de átomos de carbono dispostos em uma estrutura rígida, estrutura de favo de mel que se assemelha a tela de arame, tem propriedades eletrônicas interessantes próprias. Mas quando os cientistas cortam uma tira com menos de 5 nanômetros de largura - menos de um décimo milésimo da largura de um cabelo humano - o nanofibra de grafeno assume novas propriedades quânticas, tornando-se uma alternativa potencial para semicondutores de silício.

Steven Louie, teórico da UC Berkeley, um professor de física, previu no ano passado que a união de dois tipos diferentes de nanofitas poderia render um material único, um que imobiliza elétrons únicos na junção entre os segmentos da fita.

Para conseguir isso, Contudo, a "topologia" de elétrons das duas peças de nanofibra deve ser diferente. A topologia aqui se refere à forma que os estados de propagação do elétron adotam à medida que se movem mecanicamente através de uma nanofita, uma propriedade sutil que havia sido ignorada nas nanofitas de grafeno até a previsão de Louie.

Dois dos colegas de Louie, o químico Felix Fischer e o físico Michael Crommie, ficou animado com sua ideia e com as aplicações potenciais de aprisionamento de elétrons em nanofitas e se uniram para testar a previsão. Juntos, eles foram capazes de demonstrar experimentalmente que as junções de nanofitas com a topologia adequada são ocupadas por elétrons localizados individuais.

Uma nanofita feita de acordo com a receita de Louie com fitas alternadas de diferentes larguras, formando uma superrede de nanofita, produz uma linha conga de elétrons que interagem mecanicamente quântica. Dependendo da distância das tiras, o novo nanoribão híbrido é um metal, um semicondutor ou uma cadeia de qubits, os elementos básicos de um computador quântico.

"Isso nos dá uma nova maneira de controlar as propriedades eletrônicas e magnéticas das nanofitas de grafeno, "disse Crommie, um professor de física da UC Berkeley. "Passamos anos mudando as propriedades das nanofitas usando métodos mais convencionais, mas brincar com sua topologia nos dá uma nova maneira poderosa de modificar as propriedades fundamentais das nanofitas que nunca suspeitávamos que existissem até agora. "

A teoria de Louie implica que as nanofitas são isolantes topológicos:materiais incomuns que são isolantes, isso é, não condutor no interior, mas condutores metálicos ao longo de sua superfície. O Prêmio Nobel de Física de 2016 foi concedido a três cientistas que primeiro usaram os princípios matemáticos da topologia para explicar de forma estranha, estados quânticos da matéria, agora classificados como materiais topológicos.

Isoladores topológicos tridimensionais conduzem eletricidade ao longo de seus lados, folhas de isoladores topológicos 2-D conduzem eletricidade ao longo de suas bordas, e esses novos isoladores topológicos de nanofita 1D têm o equivalente a metais de dimensão zero (0D) em suas bordas, com a ressalva de que um único elétron 0D em uma junção de fita está confinado em todas as direções e não pode se mover para lugar nenhum. Se outro elétron for capturado de forma semelhante nas proximidades, Contudo, os dois podem criar um túnel ao longo da nanofita e se encontrar por meio das regras da mecânica quântica. E os spins dos elétrons adjacentes, se espaçado apenas para a direita, deve ficar emaranhado de modo que o ajuste de um afete os outros, um recurso essencial para um computador quântico.

A síntese das nanofitas híbridas foi uma tarefa difícil, disse Fischer, um professor de química da UC Berkeley. Embora os teóricos possam prever a estrutura de muitos isoladores topológicos, isso não significa que eles podem ser sintetizados no mundo real.

"Aqui você tem uma receita muito simples de como criar estados topológicos em um material que é muito acessível, "Fischer disse." É apenas química orgânica. A síntese não é trivial, garantido, mas podemos fazer isso. Isso é um avanço, pois agora podemos começar a pensar sobre como usar isso para alcançar novos, estruturas eletrônicas sem precedentes. "

Os pesquisadores irão relatar sua síntese, teoria e análise na edição de 9 de agosto da revista Natureza . Louie, Fischer e Crommie também são cientistas docentes do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

Tricotando nanofitas

Louie, que se especializou na teoria quântica de formas incomuns de matéria, from superconductors to nanostructures, 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, Contudo, 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.