Duitseene nanoribbons effenen de weg voor Quantum Computing

Als je begint met een tweedimensionaal lint en het smaller en smaller maakt, wanneer stopt het dan een lint zijn en begint het een eendimensionale lijn te worden? Wetenschappers van de Utrecht University en de Universiteit van Twente maakten een-atoom-dikke ultrathin nanoribbons bestaande uit germaniumatomen.

Ze hebben aangetoond dat dit systeem verbazingwekkende eigenschappen vertoont die bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn bij Quantum Computing. Hun werk was onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Kwantumsystemen hebben verschillende eigenschappen, afhankelijk van hun dimensionaliteit. Tweedimensionale nanoribbons hebben verschillende eigenschappen dan eendimensionale kwantumsystemen. Tweedimensionale topologische isolatoren lopen voorop in de fysica van de gecondenseerde stof vanwege hun unieke elektronische eigenschappen. Ze zijn isolerend in hun interieur, maar hebben zeer geleidende randen, waar elektriciteit zonder enige weerstand stroomt.

Kunnen we kleiner worden?

Vanwege deze eigenschappen zijn topologische isolatoren kandidaat-materialen voor kwantum computing en voor de volgende generatie elektronica met lage energie. “Maar omdat we proberen apparaten kleiner en efficiënter te maken, zijn er belangrijke vragen die onbeantwoord bleven”, zegt Pantelis Bampoulis, een van de onderzoekers.

“Zoals, wat is de kleinste maat dat een topologisch materiaal zijn tweedimensionale eigenschappen behoudt? En wat gebeurt er als we kleiner worden?” Bampoulis gaat verder. De onderzoekers hebben deze vragen in hun nieuwste onderzoek beantwoord met behulp van nanoribbons gemaakt van Germanene. Germanene is een atomisch dunne laag germaniumatomen met unieke topologische eigenschappen.

Duitse nanoribbons

“In ons werk hebben we Duitse -nanoribbons gemaakt. Dit zijn structuren die slechts enkele nanometer breed zijn, maar honderden nanometers lang. Met Duitse nanoribbons hebben we zowel theoretisch als experimenteel bestudeerd hoe de topologische voorsprong die de ribbonen worden beperkt,” verklaart Dennis Klaassen, Ph.D. Student onder toezicht van Bampoulis en eerste auteur van de studie.

De onderzoekers ontdekten dat de nanoribbons hun topologische voorsprongsstaten behouden tot een kritische breedte van ongeveer twee nanometers. Onder deze breedte gebeurt er iets opmerkelijks. De rand stelt dat u normaal gesproken in Duitseene nanoribbons vindt verdwenen, en in plaats daarvan verschenen nieuwe kwantumstaten gelokaliseerd aan de uiteinden van de nanoribbons. Deze eindstaten worden beschermd door fundamentele symmetrieën en duiden op de opkomst van een eendimensionale topologische isolator.

Mogelijke kwantumtoepassingen

De eindstaten zijn zeer stabiel tegen defecten en andere lokale onzuiverheden. Dit maakt ze perfect voor gebruik in kwantumtoepassingen, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van foutbestendige qubits.

“Interessant is dat deze staten vergelijkbaar zijn met Majorana Zero-modi, die ongrijpbare deeltjes zijn die wetenschappers hebben gefascineerd sinds hun voorspelling. Hoewel we Majorana Zero-modi niet aanpakken, biedt onze studie een sjabloon voor het onderzoeken van dergelijke fenomenen in een eendimensionaal materiaal met sterke spin-orbitkoppeling,” zegt Bampoulis.

“Bovendien stelt de fabricageprocedure ons in staat om dichte arrays van topologische randstaten te maken waar de stroom zou kunnen stromen zonder dissipatie, waardoor een belangrijke vereiste voor elektronica met lage energie kan voldoen”, zegt Klaassen.