Tecnología cuántica basada en el carbono
Los investigadores contactan con nanoribbones de grafeno individuales
Las nanorredes de grafeno tienen propiedades extraordinarias que pueden controlarse con precisión. Investigadores del Empa y la ETH de Zúrich, en colaboración con socios de la Universidad de Pekín, la Universidad de Warwick y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, han logrado fijar electrodos a nanoribbones individuales de precisión atómica, allanando el camino para la caracterización precisa de las fascinantes cintas y su posible uso en tecnología cuántica.
Los investigadores del Empa y sus colaboradores internacionales han conseguido fijar electrodos de nanotubos de carbono a nanoribbones individuales de precisión atómica.
Empa
La tecnología cuántica es prometedora, pero también desconcertante. Se espera que en las próximas décadas nos proporcione diversos avances tecnológicos: sensores más pequeños y precisos, redes de comunicación altamente seguras y potentes ordenadores que puedan ayudar a desarrollar nuevos fármacos y materiales, controlar los mercados financieros y predecir el tiempo mucho más rápido de lo que jamás podría hacerlo la tecnología informática actual.
Para lograrlo, necesitamos los llamados materiales cuánticos: sustancias que presentan pronunciados efectos físicos cuánticos. Uno de estos materiales es el grafeno. Esta forma estructural bidimensional del carbono tiene propiedades físicas inusuales, como una resistencia a la tracción y una conductividad térmica y eléctrica extraordinariamente altas, así como ciertos efectos cuánticos. Restringir aún más el material bidimensional, por ejemplo dándole forma de cinta, da lugar a una serie de efectos cuánticos controlables.
Esto es precisamente lo que el equipo de Mickael Perrin aprovecha en su trabajo: Desde hace varios años, los científicos del laboratorio de Transporte en Interfaces Nanoescalares del Empa, dirigido por Michel Calame, investigan los nanoribbones de grafeno bajo la dirección de Perrin. "Los nanoribbones de grafeno son aún más fascinantes que el propio grafeno", explica Perrin. "Variando su longitud y anchura, así como la forma de sus bordes, y añadiéndoles otros átomos, se les puede dar todo tipo de propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas".
Máxima precisión: hasta átomos individuales
La investigación sobre las prometedoras cintas no es fácil. Cuanto más estrecha es la cinta, más pronunciadas son sus propiedades cuánticas, pero también resulta más difícil acceder a una sola cinta a la vez. Esto es precisamente lo que hay que hacer para comprender las características únicas y las posibles aplicaciones de este material cuántico y distinguirlas de los efectos colectivos.
En un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Nature Electronics, Perrin y el investigador del Empa Jian Zhang, junto con un equipo internacional, han logrado por primera vez poner en contacto nanoribbones de grafeno individuales, largos y atómicamente precisos. No es una tarea trivial: "Un nanoribbón de grafeno de sólo nueve átomos de carbono mide tan sólo 1 nanómetro de ancho", afirma Zhang. Para asegurarse de que sólo entra en contacto un nanorribón, los investigadores emplearon electrodos de tamaño similar: Utilizaron nanotubos de carbono de sólo 1 nanómetro de diámetro.
La precisión es clave en un experimento tan delicado. Comienza con los materiales de partida. Los investigadores obtuvieron los nanoribbones de grafeno gracias a una estrecha y prolongada colaboración con el laboratorio de nanotecnología de superficies del Empa, dirigido por Roman Fasel. "Roman Fasel y su equipo llevan mucho tiempo trabajando en nanoribbones de grafeno y pueden sintetizar muchos tipos diferentes con precisión atómica a partir de moléculas precursoras individuales", explica Perrin. Las moléculas precursoras proceden del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia.
Como suele ser necesario para avanzar en el estado de la técnica, la interdisciplinariedad es clave, y participaron distintos grupos de investigación internacionales, cada uno aportando su especialidad: Los nanotubos de carbono fueron cultivados por un grupo de investigación de la Universidad de Pekín, y para interpretar los resultados del estudio, los investigadores del Empa colaboraron con científicos computacionales de la Universidad de Warwick. "Un proyecto como éste no sería posible sin colaboración", subraya Zhang.
El contacto de los nanotubos con las cintas individuales supuso un reto considerable para los investigadores. "Los nanotubos de carbono y los nanoribbones de grafeno se cultivan en sustratos separados", explica Zhang. "Primero hay que transferir los nanotubos al sustrato del dispositivo y ponerlos en contacto con electrodos metálicos. Luego los cortamos con litografía de haz electrónico de alta resolución para separarlos en dos electrodos". Por último, las cintas se transfieren al mismo sustrato. La precisión es clave: Hasta la más mínima rotación de los sustratos puede reducir significativamente la probabilidad de éxito del contacto. "Tener acceso a una infraestructura de alta calidad en el Centro de Nanotecnología Binnig y Roher de IBM Research en Rüschlikon fue esencial para probar e implantar esta tecnología", afirma Perrin.
De ordenadores a convertidores de energía
Los científicos confirmaron el éxito de su experimento mediante mediciones de transporte de carga. "Como los efectos cuánticos suelen ser más pronunciados a baja temperatura, realizamos las mediciones a temperaturas cercanas al cero absoluto en un alto vacío", explica Perrin. Pero se apresura a añadir otra cualidad especialmente prometedora de los nanoribbones de grafeno: "Debido al tamaño extremadamente pequeño de estos nanoribbones, esperamos que sus efectos cuánticos sean tan robustos que sean observables incluso a temperatura ambiente". Esto, según el investigador, podría permitirnos diseñar y hacer funcionar chips que aprovechen activamente los efectos cuánticos sin necesidad de una elaborada infraestructura de refrigeración.
"Este proyecto permite realizar dispositivos de nanoribbono único, no sólo para estudiar efectos cuánticos fundamentales como el comportamiento de electrones y fonones a nanoescala, sino también para explotar tales efectos en aplicaciones de conmutación cuántica, detección cuántica y conversión cuántica de energía", añade Hatef Sadeghi, profesor de la Universidad de Warwick que ha colaborado en el proyecto.
Los nanoribbones de grafeno aún no están listos para aplicaciones comerciales y todavía queda mucho por investigar. En un estudio posterior, Zhang y Perrin pretenden manipular distintos estados cuánticos en una única nanoribbona. Además, planean crear dispositivos basados en dos cintas conectadas en serie, formando el llamado doble punto cuántico. Un circuito de este tipo podría servir como qubit, la unidad más pequeña de información en un ordenador cuántico. Además, Perrin, en el contexto de su reciente beca ERC Starting Grant y una beca SNSF Eccellenza Professorial Fellowship, tiene previsto explorar el uso de nanorribbons como convertidores de energía de alta eficiencia. En su conferencia inaugural en la ETH de Zúrich, dibuja un mundo en el que podemos aprovechar la electricidad de la diferencia de temperatura sin apenas perder energía en forma de calor, lo que supondría un auténtico salto cuántico.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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