Real-life ‘kwantummolycircuits’ met behulp van exotische nanobuisjes

Molybdeendisulfide MoS₂ is een baanbrekend materiaal voor elektronische toepassingen. Als een tweedimensionale laag vergelijkbaar met grafeen, is het een uitstekende halfgeleider en kan het onder de juiste omstandigheden zelfs intrinsiek supergeleidend worden. Het’Het is niet zo verwonderlijk dat sciencefictionauteurs al hebben gespeculeerd over molycircs, fictieve computercircuits die zijn opgebouwd uit MoS.₂al jaren – en dat natuurkundigen en ingenieurs enorme onderzoeksinspanningen op dit materiaal richten.

Onderzoekers van de Universiteit van Regensburg hebben jarenlange expertise met diverse kwantummaterialen – in het bijzonder ook met koolstofnanobuisjes, buisachtige macromoleculen gemaakt van alleen koolstofatomen.

“Het was een voor de hand liggende volgende stap om ons nu op MoS te richten₂ en zijn fascinerende eigenschappen,” zei Dr. Andreas K. Hüttel, hoofd van de onderzoeksgroep Nanotube Electronics and Nanomechanics in Regensburg. In samenwerking met Prof. Dr. Maja Remškar, Jožef Stefan Institut Ljubljana, een specialist in de kristallijne groei van molybdeendisulfide nanomaterialen ging zijn onderzoeksgroep aan de slag met quantumdevices op basis van MoS₂ nanobuizen.

“Het blijkt dat MoS₂ maakt kwantumopsluiting, dwz discrete elektronische toestanden zoals je nodig zou hebben voor qubits en kwantumcomputers, erg moeilijk te bereiken met platte vlokken op een chip. Precies daarom zijn wij geïnteresseerd in deze exotische nanobuisjes. De buizen kunnen schoon en recht worden gekweekt, met diameters tot 20 nm, en geven je dan automatisch de kleine structuurgroottes die je nodig hebt.”

De eerste uitdaging was om goede metalen contacten te maken. Nuttige metalen met lage contactweerstanden hebben de neiging om te reageren met de MoS₂ oppervlak en vernietigt de kristalstructuur, een moeilijkheid die ook “platte” MoS treft₂ en is een van de belangrijkste redenen waarom er nog niet veel complexe circuits bestaan.

Voor nanobuisjes, met kleine oppervlakken, was deze moeilijkheid vroeger nog dringender. “Nu krijgen we eindelijk apparaten die elektrisch transparant blijven, zelfs in het lage temperatuurbereik dat doorgaans nodig is voor kwantumberekeningen, en die het molybdeendisulfide intact laten”, zei Dr. Hüttel.

En dat’Het is niet alles – de afmetingen van de structuur speelden meteen een rol. “Tot nu toe hebben we om praktische redenen vrij grote nanobuisjes en nanoribbons gebruikt. Toch kunnen we aantonen dat in onze opstelling bij lage temperaturen, bij temperaturen onder 0,1 K, zoals gebruikt in veel kwantumcomputingbenaderingen, stroom door discrete kwantumtoestanden in onze chip gaat. – en dat is een grote stap in de richting van beheersbare ladings-, spin- of zelfs vallei-qubits in MoS₂.”

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.