Les scientifiques expérimentent avec des bandes étroites de graphène, appelés nanorubans, dans l'espoir de fabriquer de nouveaux appareils électroniques sympas, mais l'Université de Californie, Les scientifiques de Berkeley ont découvert un autre rôle possible pour eux :en tant que pièges à électrons à l'échelle nanométrique avec des applications potentielles dans les ordinateurs quantiques.

Graphène, un feuillet d'atomes de carbone disposés en un rigide, treillis en nid d'abeille ressemblant à du grillage, possède ses propres propriétés électroniques intéressantes. Mais lorsque les scientifiques coupent une bande de moins d'environ 5 nanomètres de largeur - moins d'un dix millième de la largeur d'un cheveu humain - le nanoruban de graphène acquiert de nouvelles propriétés quantiques, ce qui en fait une alternative potentielle aux semi-conducteurs en silicium.

Le théoricien de l'UC Berkeley Steven Louie, professeur de physique, prédit l'année dernière que l'association de deux types différents de nanorubans pourrait produire un matériau unique, celui qui immobilise les électrons uniques à la jonction entre les segments de ruban.

Pour y parvenir, cependant, la « topologie » électronique des deux morceaux de nanoruban doit être différente. La topologie fait ici référence à la forme que les états électroniques de propagation adoptent lorsqu'ils se déplacent de manière quantique à travers un nanoruban, une propriété subtile qui avait été ignorée dans les nanorubans de graphène jusqu'à la prédiction de Louie.

Deux des collègues de Louie, le chimiste Felix Fischer et le physicien Michael Crommie, est devenu enthousiasmé par son idée et les applications potentielles du piégeage d'électrons dans des nanorubans et s'est associé pour tester la prédiction. Ensemble, ils ont pu démontrer expérimentalement que des jonctions de nanorubans ayant la bonne topologie sont occupées par des électrons localisés individuels.

Un nanoruban réalisé selon la recette de Louie avec une alternance de bandes de ruban de différentes largeurs, former un super-réseau de nanoruban, produit une ligne conga d'électrons qui interagissent de manière quantique. Selon la distance entre les bandes, le nouveau nanoruban hybride est soit un métal, un semi-conducteur ou une chaîne de qubits, les éléments de base d'un ordinateur quantique.

"Cela nous donne une nouvelle façon de contrôler les propriétés électroniques et magnétiques des nanorubans de graphène, " dit Crommie, un professeur de physique à l'UC Berkeley. "Nous avons passé des années à modifier les propriétés des nanorubans en utilisant des méthodes plus conventionnelles, mais jouer avec leur topologie nous donne un nouveau moyen puissant de modifier les propriétés fondamentales des nanorubans dont nous n'avions jamais soupçonné l'existence jusqu'à présent."

La théorie de Louie implique que les nanorubans sont des isolants topologiques :des matériaux inhabituels qui sont des isolants, C'est, non conducteur à l'intérieur, mais des conducteurs métalliques le long de leur surface. Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné à trois scientifiques qui ont d'abord utilisé les principes mathématiques de la topologie pour expliquer l'étrange, états quantiques de la matière, maintenant classés comme matériaux topologiques.

Les isolants topologiques tridimensionnels conduisent l'électricité le long de leurs côtés, des feuilles d'isolants topologiques 2D conduisent l'électricité le long de leurs bords, et ces nouveaux isolants topologiques nanoruban 1D ont l'équivalent de métaux de dimension zéro (0D) sur leurs bords, avec la mise en garde qu'un seul électron 0D à une jonction de ruban est confiné dans toutes les directions et ne peut se déplacer nulle part. Si un autre électron est également piégé à proximité, cependant, les deux peuvent creuser un tunnel le long du nanoruban et se rencontrer via les règles de la mécanique quantique. Et les spins des électrons adjacents, si espacé juste à droite, devrait s'emmêler pour que peaufiner l'un affecte les autres, une caractéristique essentielle pour un ordinateur quantique.

La synthèse des nanorubans hybrides était un exploit difficile, dit Fischer, un professeur de chimie à l'UC Berkeley. Alors que les théoriciens peuvent prédire la structure de nombreux isolants topologiques, cela ne signifie pas qu'ils peuvent être synthétisés dans le monde réel.

"Vous avez ici une recette très simple pour créer des états topologiques dans un matériau très accessible, " Fischer a dit. " C'est juste de la chimie organique. La synthèse n'est pas anodine, accordé, mais nous pouvons le faire. Il s'agit d'une percée dans la mesure où nous pouvons maintenant commencer à réfléchir à la manière de l'utiliser pour obtenir de nouveaux, structures électroniques sans précédent."

Les chercheurs rendront compte de leur synthèse, théorie et analyse dans le numéro du 9 août de la revue La nature . Louie, Fischer et Crommie sont également des professeurs scientifiques au Lawrence Berkeley National Laboratory.

Tricoter des nanorubans ensemble

Louie, qui se spécialise dans la théorie quantique des formes inhabituelles de la matière, des supraconducteurs aux nanostructures, authored a 2017 paper that described how to make graphene nanoribbon junctions that take advantage of the theoretical discovery that nanoribbons are 1D topological insulators. His recipe required taking so-called topologically trivial nanoribbons and pairing them with topologically non-trivial nanoribbons, where Louie explained how to tell the difference between the two by looking at the shape of the quantum mechanical states that are adopted by electrons in the ribbons.

Fischer, who specializes in synthesizing and characterizing unusual nanomolecules, discovered a new way to make atomically precise nanoribbon structures that would exhibit these properties from complex carbon compounds based on anthracene.

Working side by side, Fischer's and Crommie's research teams then built the nanoribbons on top of a gold catalyst heated inside a vacuum chamber, and Crommie's team used a scanning tunneling microscope to confirm the electronic structure of the nanoribbon. It perfectly matched Louie's theory and calculations. The hybrid nanoribbons they made had between 50 and 100 junctions, each occupied by an individual electron able to quantum mechanically interact with its neighbors.

"When you heat the building blocks, you get a patchwork quilt of molecules knitted together into this beautiful nanoribbon, " Crommie said. "But because the different molecules can have different structures, the nanoribbon can be designed to have interesting new properties."

Fischer said that the length of each segment of nanoribbon can be varied to change the distance between trapped electrons, thus changing how they interact quantum mechanically. When close together the electrons interact strongly and split into two quantum states (bonding and anti-bonding) whose properties can be controlled, allowing the fabrication of new 1D metals and insulators. When the trapped electrons are slightly more separated, cependant, they act like small, quantum magnets (spins) that can be entangled and are ideal for quantum computing.

"This provides us with a completely new system that alleviates some of the problems expected for future quantum computers, such as how to easily mass-produce highly precise quantum dots with engineered entanglement that can be incorporated into electronic devices in a straightforward way, " Fischer said.

Co-lead authors of the paper are Daniel Rizzo and Ting Cao from the Department of Physics and Gregory Veber from the Department of Chemistry, along with their colleagues Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao and Henry Rodriguez. Fischer and Crommie are both members of the Kavli Energy NanoSciences Institute at UC Berkeley and Berkeley Lab.