Kvanttielektroniikka grafeenien avulla

Göttingenin yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on osoittanut kokeellisesti, että luonnollisessa kaksikerroksisessa grafeenissa elektronit liikkuvat hiukkasten tavoin ilman massaa samalla tavalla kuin valo kulkee.

Lisäksi he ovat osoittaneet, että virta voidaan "kytkeä" päälle ja pois, mikä auttaa kehittämään pieniä ja energiatehokkaita kytkintransistoreita

Grafeenissa tällaista "kytkintä" ei kuitenkaan voida saavuttaa helposti. Itse asiassa grafeenilla ei yleensä ole eristävää tilaa, mikä on rajoittanut grafeenin potentiaalia transistoriksi.

Tutkijatiimi on nyt havainnut, että kaksi grafeenikerrosta, jotka löytyvät luonnollisesti esiintyvästä kaksikerroksisesta grafeenimuodosta, yhdistävät molempien maailmojen parhaat puolet: rakenteen, joka tukee valon tavoin liikkuvien elektronien hämmästyttävän nopeaa kulkua eristävän tilan lisäksi.

Tutkimus osoitti, että tätä tilaa voidaan muuttaa käyttämällä materiaaliin kohtisuorassa olevaa sähkökenttää, mikä tekee kaksikerroksisesta grafeenista eristävän.

"Olimme tietoisia aiheen vanhasta teoriasta. Nyt olemme kuitenkin tehneet kokeita, jotka todella osoittavat elektronien valonomaista hajaantumista kaksikerroksisessa grafeenissa. Se oli erittäin jännittävä hetki koko tiimille", sanoo professori Thomas Weitz.

Singaporen kansallisen yliopiston (NUS) tutkijat ovat sen sijaan kehittäneet uuden suunnittelukonseptin seuraavan sukupolven hiilipohjaisten kvanttimateriaalien luomiseen pienen magneettisen nanografeenin muodossa. Siinä on ainutlaatuinen perhosmuoto, joka isännöi vahvasti korreloivia spinejä.

Tällä uudella suunnitelmalla on potentiaalia nopeuttaa kvanttimateriaalien kehitystä, sillä ne ovat avainasemassa kehittyneiden kvanttilaskentatekniikoiden edistämisessä.

Työtä johtanut apulaisprofessori Lu Jiong sanoo: "Magneettinen nanografeeni on pieni molekyyli, joka koostuu yhteen sulautuneista bentseenirenkaista. Se on merkittävä lupaus seuraavan sukupolven kvanttimateriaalina kiehtovien kvanttispinien isännöimiseen kemiallisen monipuolisuutensa ja pitkän spin-koherenssiaikansa ansiosta. Luomalla useita erittäin lomittuneita spinejä tällaisissa järjestelmissä on kuitenkin pelottava mutta välttämätön tehtävä skaalautuvien ja monimutkaisten kvanttiverkkojen rakentamisessa."

Kiehtova näkökohta "perhonen" nanografeenissa on sen neljässä parittomassa π-elektronissa, joiden spinit ovat pääasiassa siirrettyinä "siipi"-alueille ja lomittuneet yhteen.

Läpimurto ei ainoastaan ratkaise olemassa olevia haasteita, vaan avaa uusia mahdollisuuksia magneettisten ominaisuuksien tarkkaan hallintaan pienimmässä mittakaavassa, mikä johtaa jännittäviin edistysaskeliin kvanttimateriaalien tutkimuksessa.

Aiheesta aiemmin:

Eksotiikkaa maagisen kulman grafeenissa