Wetenschappers bouwen een nieuw kwantumtestbed, atoom voor atoom

Met atomaire precisie bouwden wetenschappers een testbed om elektronen op geheel nieuwe manieren te manipuleren met potentiële toepassingen in quantum computing.

Elektronen zijn kleine objecten die elektriciteit en informatie over materialen en tussen apparaten kunnen transporteren. Ze worden vaak gevisualiseerd als afzonderlijke bollen, die ofwel door een circuit bewegen of verbonden zijn met een atoom. Hoewel dit klassieke model voor veel scenario’s goed werkt, schetst de kwantummechanica een radicaal ander beeld van de aard van elektronen met golven, wolken en veel wiskunde.

Naarmate wetenschappers meer inzicht krijgen in de kwantummechanica, kijken ze verder dan onze huidige methoden om materialen te ontwikkelen met unieke elektronische eigenschappen waarmee ze informatie op geheel nieuwe manieren kunnen opslaan en manipuleren.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuw testbed gecreëerd om het gedrag van elektronen te onderzoeken in een speciale klasse materialen, topologische isolatoren genaamd, die toepassingen in kwantumcomputing zouden kunnen zien.

Topologie – een gebied van de wiskunde met betrekking tot de aard van vormen – biedt een uniek inzicht in de fysica van materialen. Elektronen op het oppervlak van topologische isolatoren kunnen in toestanden voorkomen waarin ze vrijwel zonder weerstand kunnen stromen. Deze toestanden kunnen het systeem ook beschermen tegen externe ruis of invloed, een grote uitdaging voor opkomende kwantuminformatietechnologieën.

Wetenschappers onderzoeken de kracht van kwantummechanische fenomenen zoals deze topologische toestanden om informatie met grotere snelheid, veiligheid en energie-efficiëntie op te slaan en te communiceren.

“We waren in staat om het uiterlijk van topologische toestanden in ons testbed te beheersen”, zegt theoretisch natuurkundige Pierre Darancet uit Argonne, een hoofdauteur van het artikel. “Ons werk is een stap in de richting van het benutten van topologische fenomenen voor kwantumcomputing.”

Ik kan niet geloven dat het geen grafeen is!

Supersterk en een superieure geleider van elektronen, het materiaal grafeen is een één atoom dik vel koolstofatomen met veel mogelijke toepassingen. In eerder werk werd aangetoond dat grafeen-nanoribbons – kleine stroken grafeen – veelbelovende topologische toestanden vertonen. Hierdoor geïnspireerd bouwde het Argonne-team een ​​kunstmatig grafeen-testbed met atomaire precisie in de hoop die topologische effecten verder te onderzoeken.

“Het maken van kunstmatige nanoribbons van grafeen gaf ons een nauwkeurigere controle over het systeem in vergelijking met het synthetiseren van echte nanoribbons, wat rommelig kan zijn”, zei Darancet. “Het was de droom van een theoreticus om experimentatoren atomaire Lego’s atoom voor atoom te laten bouwen, en het maakte meer manipulatie en verkenning van de topologie mogelijk.”

Het team construeerde kunstmatige grafeen nanoribbons door individuele koolstofmonoxide (CO) -moleculen heel precies op een koperen oppervlak te plaatsen met behulp van een scanning tunneling microscope (STM) in Argonne’s Centre for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit.

Wetenschappers gebruiken over het algemeen microscopen om informatie over materialen te verzamelen. In deze studie gebruikten ze de STM om het materiaal zowel te maken als te onderzoeken. Ze ontwikkelden ook computeralgoritmen om de constructie te automatiseren, waardoor ze de STM op afstand konden bedienen. “Ik zou wakker worden, mijn koffie drinken en dan beginnen te spelen met een microscoop die 30 mijl verderop was”, zei Dan Trainer, die het STM-gedeelte van het werk leidde als postdoctoraal aangestelde bij Argonne.

Met behulp van de ongerepte punt van de microscoop plaatsten Trainer en team de CO-moleculen een voor een op het koperen oppervlak op een manier die hun elektronen opsluit om de honingraatstructuur na te bootsen die wordt vertoond door alleen koolstofatomen in een echte grafeen nanoribbon.

Het resulterende kunstmatige nanoribbon vertoonde inderdaad dezelfde elektronische en topologische eigenschappen waarvan onderzoekers voorspelden dat ze in het echt zouden verschijnen.

Topologische toestanden bereiken

In de huidige elektronische technologieën wordt informatie weergegeven met enen en nullen die overeenkomen met de aanwezigheid of afwezigheid van elektronen die in een circuit stromen. Wanneer een materiaal in een topologische toestand bestaat, zoals aangetoond in deze studie, kunnen de elektronen op het oppervlak beter worden beschreven als een soort kwantummechanische bijenkorf, die golfpatronen over het materiaal vertoont.

Men kan elektronen op metalen oppervlakken zien als golven in een vijver, waar het water zichzelf organiseert als een reeks trillingen die afketsen op de grenzen van het meer, in plaats van louter een soep van ongerelateerde H₂O moleculen. Topologische toestanden zijn malafide golven die voortkomen uit de complexe interacties tussen de individuele elektronen op het oppervlak.

Een primaire uitdaging in dit experiment was het vinden van de optimale afstand tussen de CO-moleculen die nodig zijn om de elektronen van het systeem te vergrendelen in iets dat elektronisch equivalent is aan grafeen. Toen de wetenschappers deze precieze configuratie bereikten in hun testbed, verschenen er topologische golven op het koperen oppervlak. Net als bij de aurora borealis op de Noordpool, toen de omstandigheden precies goed waren, werd het gewone systeem van deeltjes een spectaculaire elektromagnetische vertoning.

“Het is ongelooflijk zeldzaam dat een experimenteel systeem zo perfect overeenkomt met theoretische voorspellingen”, zei Trainer. “Het was echt schitterend.”

De resultaten van de studie zijn gepubliceerd in een artikel “Artificial Graphene Nanoribbons: A Test Bed for Topology and Low-Dimensional Dirac Physics” in ACS Nano.