Engineering van op grafeen gebaseerde kwantumcircuits met atomaire precisie

Stel je voor dat je een gebouw hebt dat is gemaakt van stapels stenen die zijn verbonden door aanpasbare bruggen. Je trekt aan een knop die de bruggen wijzigt en het gebouw verandert van functionaliteit. Zou het niet geweldig zijn?

Een team van onderzoekers onder leiding van prof. Aitor Mugarza, van het Catalaans Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie (ICN2) en ICREA, samen met prof. Diego Peña van het Centrum voor Onderzoek in Biologische Chemie en Moleculaire Materialen van de Universiteit van Santiago de Campostela ( CiQUS-USC), Dr. Cesar Moreno, voorheen lid van het ICN2-team en momenteel onderzoeker aan de Universiteit van Cantabria, en Dr. Aran Garcia-Lekue, van het Donostia International Physics Centre (DIPC) en de Ikerbasque Foundation, hebben iets gedaan analoog, maar op de schaal van één atoom, met als doel nieuwe op koolstof gebaseerde materialen met instelbare eigenschappen te synthetiseren.

Zoals uitgelegd in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society (JACS) en vermeld op de omslag van het nummer, is dit onderzoek een belangrijke doorbraak in de precieze engineering van atomair-dunne materialen – “2D-materialen” genoemd vanwege hun verminderde dimensionaliteit. De voorgestelde fabricagetechniek opent opwindende nieuwe mogelijkheden voor materiaalkunde, en in het bijzonder voor toepassing in geavanceerde elektronica en toekomstige oplossingen voor duurzame energie.

De auteurs van deze studie synthetiseerden een nieuwe nanoporeuze grafeenstructuur door ultra-smalle grafeenstroken, bekend als “nanoribbons”, te verbinden door middel van flexibele “bruggen” gemaakt van fenyleenresten (die delen zijn van grotere moleculen).

Door de architectuur en de hoek van deze bruggen continu aan te passen, kunnen de wetenschappers de kwantumconnectiviteit tussen de nanoribbon-kanalen controleren en uiteindelijk de elektronische eigenschappen van de grafeen-nanoarchitectuur verfijnen. De afstembaarheid kan ook worden geregeld door externe prikkels, zoals spanning of elektrische velden, wat mogelijkheden biedt voor verschillende toepassingen.

Deze baanbrekende bevindingen, het resultaat van een samenwerking tussen vooraanstaande Spaanse instellingen (CiQUS, ICN2, University of Cantabria, DIPC) en de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), tonen aan dat de voorgestelde moleculaire brugstrategie een grote impact kan hebben op de synthese van nieuwe materialen met op maat gemaakte eigenschappen en is een krachtig hulpmiddel voor de realisatie van kwantumcircuits.

Deze voeren bewerkingen uit die vergelijkbaar zijn met die van conventionele circuits, hoewel kwantumcircuits, in tegenstelling tot de laatste, gebruikmaken van kwantumeffecten en -verschijnselen. Het ontwerp en de implementatie van deze systemen zijn uitermate relevant voor de ontwikkeling van kwantumcomputers.

Maar de mogelijke toepassingen van de in deze studie voorgestelde aanpak gaan verder dan toekomstige elektronische apparaten en computers. Het zou zelfs kunnen leiden tot de ontwikkeling van thermo-elektrische nanomaterialen, die een belangrijke impact kunnen hebben op de opwekking van hernieuwbare energie en de terugwinning van afvalwarmte, waardoor een andere cruciale maatschappelijke uitdaging wordt aangepakt.