As nanofitas de grafeno possuem propriedades excelentes que podem ser controladas com precisão. Pesquisadores da Empa e da ETH Zurich, em colaboração com parceiros da Universidade de Pequim, da Universidade de Warwick e do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros, conseguiram anexar eletrodos a nanofitas individuais atomicamente precisas, abrindo caminho para a caracterização precisa das fascinantes fitas e seu possível uso em tecnologia quântica.



A tecnologia quântica é promissora, mas também desconcertante. Nas próximas décadas, espera-se que nos proporcione vários avanços tecnológicos:sensores mais pequenos e mais precisos, redes de comunicação altamente seguras e computadores poderosos que podem ajudar a desenvolver novos medicamentos e materiais, controlar os mercados financeiros e prever o tempo muito mais rapidamente do que a tecnologia de computação atual jamais poderia.

Para conseguir isso, precisamos dos chamados materiais quânticos:substâncias que exibem efeitos físicos quânticos pronunciados. Um desses materiais é o grafeno. Esta forma estrutural bidimensional de carbono tem propriedades físicas incomuns, como resistência à tração e condutividade térmica e elétrica extraordinariamente altas – bem como certos efeitos quânticos. Restringir ainda mais o material já bidimensional, por exemplo, dando-lhe uma forma semelhante a uma fita, dá origem a uma série de efeitos quânticos controláveis.

É precisamente isto que a equipa de Mickael Perrin aproveita no seu trabalho. Há vários anos, cientistas do laboratório Transport at Nanoscale Interfaces da Empa, liderado por Michel Calame, vêm conduzindo pesquisas sobre nanofitas de grafeno sob a liderança de Perrin. “As nanofitas de grafeno são ainda mais fascinantes do que o próprio grafeno”, explica Perrin. "Ao variar seu comprimento e largura, bem como o formato de suas bordas, e adicionar outros átomos a eles, você pode dar-lhes todos os tipos de propriedades elétricas, magnéticas e ópticas."

Precisão máxima – até átomos únicos

A pesquisa sobre as fitas promissoras não é fácil. Quanto mais estreita a fita, mais pronunciadas são as suas propriedades quânticas – mas também se torna mais difícil aceder a uma única fita de cada vez. Isto é precisamente o que deve ser feito para compreender as características únicas e as possíveis aplicações deste material quântico e distingui-las dos efeitos coletivos.

Em um novo estudo publicado na revista Nature Electronics , Perrin e o pesquisador da Empa, Jian Zhang, juntamente com uma equipe internacional, conseguiram pela primeira vez entrar em contato com nanofitas de grafeno longas e atomicamente precisas. “Uma nanofita de grafeno com apenas nove átomos de carbono de largura mede apenas 1 nanômetro de largura”, diz Zhang. Para garantir que apenas uma única nanofita seja contatada, os pesquisadores empregaram eletrodos de tamanho semelhante. Eles usaram nanotubos de carbono que também tinham apenas 1 nanômetro de diâmetro.

A precisão é fundamental para um experimento tão delicado. Tudo começa com os materiais de origem. Os pesquisadores obtiveram as nanofitas de grafeno por meio de uma colaboração forte e de longa data com o laboratório nanotech@surfaces da Empa, liderado por Roman Fasel. “Roman Fasel e sua equipe trabalham há muito tempo com nanofitas de grafeno e podem sintetizar muitos tipos diferentes com precisão atômica a partir de moléculas precursoras individuais”, explica Perrin. As moléculas precursoras vieram do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros em Mainz.

Como é frequentemente necessário para o avanço do estado da arte, a interdisciplinaridade é fundamental, e diferentes grupos de investigação internacionais estiveram envolvidos, cada um trazendo a sua própria especialidade para a mesa. Os nanotubos de carbono foram cultivados por um grupo de pesquisa da Universidade de Pequim e, para interpretar os resultados do estudo, os pesquisadores da Empa colaboraram com cientistas computacionais da Universidade de Warwick. “Um projeto como este não seria possível sem colaboração”, enfatiza Zhang.

O contato de fitas individuais com nanotubos representou um desafio considerável para os pesquisadores. “Os nanotubos de carbono e as nanofitas de grafeno são cultivadas em substratos separados”, explica Zhang. "Primeiro, os nanotubos precisam ser transferidos para o substrato do dispositivo e contatados por eletrodos metálicos. Em seguida, os cortamos com litografia por feixe de elétrons de alta resolução para separá-los em dois eletrodos." Finalmente, as fitas são transferidas para o mesmo substrato. A precisão é fundamental:mesmo a menor rotação dos substratos pode reduzir significativamente a probabilidade de um contato bem-sucedido. “Ter acesso a infraestrutura de alta qualidade no Centro de Nanotecnologia Binnig e Roher da IBM Research em Rüschlikon foi essencial para testar e implementar esta tecnologia”, diz Perrin.

De computadores a conversores de energia

Os cientistas confirmaram o sucesso da sua experiência através de medições de transporte de carga. “Como os efeitos quânticos são geralmente mais pronunciados em baixas temperaturas, realizamos as medições em temperaturas próximas do zero absoluto em alto vácuo”, explica Perrin. Ele acrescenta:“Devido ao tamanho extremamente pequeno dessas nanofitas, esperamos que seus efeitos quânticos sejam tão robustos que sejam observáveis ​​mesmo à temperatura ambiente”.

Isto, diz o pesquisador, poderia nos permitir projetar e operar chips que aproveitem ativamente os efeitos quânticos sem a necessidade de uma infraestrutura de resfriamento elaborada.

"Este projeto permite a realização de dispositivos de nanofitas únicas, não apenas para estudar efeitos quânticos fundamentais, como o comportamento dos elétrons e fônons em nanoescala, mas também para explorar tais efeitos para aplicações em comutação quântica, detecção quântica e conversão de energia quântica, " acrescenta Hatef Sadeghi, professor da Universidade de Warwick que colaborou no projeto.

As nanofitas de grafeno ainda não estão prontas para aplicações comerciais e ainda há muita pesquisa a ser feita. Em um estudo de acompanhamento, Zhang e Perrin pretendem manipular diferentes estados quânticos em uma única nanofita. Além disso, planejam criar dispositivos baseados em duas fitas conectadas em série, formando o chamado ponto quântico duplo.

Tal circuito poderia servir como um qubit – a menor unidade de informação em um computador quântico. Perrin planeja explorar o uso de nanofitas como conversores de energia altamente eficientes.

Mais informações: Jian Zhang et al, Contatando nanofitas de grafeno individuais usando eletrodos de nanotubos de carbono, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3
Informações do diário: Eletrônica da Natureza

Fornecido pelos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais