Die Quantentechnologie ist vielversprechend, aber auch voller Komplexität. Es wird erwartet, dass die Quantentechnologie in den nächsten Jahrzehnten eine Reihe technologischer Fortschritte mit sich bringt und uns kompaktere und genauere Sensoren, leistungsfähigere und sicherere Kommunikationsnetzwerke sowie Computer mit größerer Kapazität bescheren wird. Diese Fortschritte werden die Fähigkeiten aktueller Computertechnologien übersteigen und dazu beitragen, schnell neue Medikamente und Materialien zu entwickeln, Finanzmärkte zu kontrollieren und Wettervorhersagen zu verbessern.
Um diese Vorteile zu realisieren, benötigen wir sogenannte Quantenmaterialien, die erhebliche quantenphysikalische Effekte aufweisen. Graphen ist ein solches Material. Diese zweidimensionale Strukturform von Kohlenstoff verfügt über ungewöhnliche physikalische Eigenschaften wie ultrahohe Zugfestigkeit, thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie bestimmte Quanteneffekte. Eine weitere Eingrenzung dieses bereits zweidimensionalen Materials, beispielsweise durch die Verleihung einer bandartigen Form, führt zu einer Reihe kontrollierbarer Quanteneffekte.
Genau das macht sich das Team von Mickael Perrin bei seiner Arbeit zunutze: Seit mehreren Jahren forschen Wissenschaftler am Labor für Nanogrenzflächentransport der Empa unter der Leitung von Michel Calame an Graphen-Nanobändern. „Graphen-Nanobänder sind noch faszinierender als Graphen selbst“, erklärt Perrin. „Indem man die Länge und Breite von Graphen-Nanobändern, die Form ihrer Kanten und das Hinzufügen anderer Atome ändert, kann man ihnen verschiedene elektrische, magnetische und optische Eigenschaften verleihen.“
Äußerst genau – bis auf ein einzelnes Atom
Die Erforschung vielversprechender Nanobänder ist keine leichte Aufgabe. Je schmaler das Nanoband, desto ausgeprägter sind seine Quanteneigenschaften, allerdings ist es auch schwieriger, einzelne Nanobänder gleichzeitig zu erhalten. Dies ist notwendig, um die einzigartigen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten dieses Quantenmaterials zu verstehen und von kollektiven Effekten abzugrenzen.
In einer neuen Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Electronics“ veröffentlicht wurde, ist es Perrin und dem Empa-Forscher Jian Zhang zusammen mit einem internationalen Team erstmals gelungen, auf einzelne lange, atomar präzise Graphen-Nanobänder zuzugreifen. Zhang Jian sagte: „Die Breite von Graphen-Nanobändern, die nur 9 Kohlenstoffatome breit sind, beträgt nur 1 Nanometer. Um sicherzustellen, dass nur ein Nanoband kontaktiert wird, verwendeten die Forscher Elektroden ähnlicher Größe: Die von ihnen verwendeten Kohlenstoff-Nanoröhren hatten ebenfalls nur einen Durchmesser von 1 Nanometer.“
Bei einem solch aufwändigen Experiment ist Präzision entscheidend. Das erste ist das Ausgangsmaterial. Die Forscher erhielten die Graphen-Nanobänder durch eine langjährige und enge Zusammenarbeit mit dem Empa-Labor nanotech@Surfaces unter der Leitung von Roman Fasel. „Roman Fasel und sein Team arbeiten seit langem an Graphen-Nanobändern und können viele verschiedene Arten von Graphen-Nanobändern mit atomarer Präzision aus einem einzigen Vorläufermolekül synthetisieren“, erklärt Perrin. Die Vorläufermoleküle stammten vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz.
Wie es oft erforderlich ist, um den technologischen Fortschritt voranzutreiben, ist Interdisziplinarität von entscheidender Bedeutung, und es sind verschiedene internationale Forschungsgruppen beteiligt, die jeweils ihre eigene Expertise einbringen: Die Kohlenstoffnanoröhren wurden von einer Forschungsgruppe an der Universität Peking gezüchtet, und um die Ergebnisse zu interpretieren, arbeiteten Empa-Forscher mit Informatikern der University of Warwick zusammen.
Die Kontaktierung einzelner Kohlenstoffstreifen mit Nanoröhren stellt Forscher vor große Herausforderungen. „Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen-Nanobänder werden jeweils auf unterschiedlichen Substraten gezüchtet“, erklärte Zhang. „Zuerst müssen die Nanoröhren auf das Gerätesubstrat übertragen und mit Metallelektroden kontaktiert werden. Anschließend schneiden wir sie mithilfe hochauflösender Elektronenstrahllithographie, um sie in zwei Elektroden zu trennen. Schließlich schneiden wir die Nanoröhren in zwei Elektroden.“ Die Bänder werden auf das gleiche Substrat übertragen. Präzision ist der Schlüssel: Schon die kleinste Drehung des Substrats verringert die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Kontaktierung erheblich. Für die Erprobung und Implementierung dieser Technologie ist der Zugriff auf die hochwertige Infrastruktur des IBM Forschungszentrums Binnig und Rocher in Lüschlikon von entscheidender Bedeutung.
Vom Computer bis zum Energiewandler
Den Erfolg des Experiments bestätigten die Wissenschaftler durch Ladungstransportmessungen. Da Quanteneffekte bei niedrigen Temperaturen normalerweise stärker ausgeprägt sind, haben wir Messungen in einer Hochvakuumumgebung nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt. Doch schnell fügt er noch eine weitere besonders vielversprechende Eigenschaft von Graphen-Nanobändern hinzu: „Aufgrund der extrem geringen Größe dieser Nanobänder erwarten wir, dass ihre Quanteneffekte sehr stark und sogar bei Raumtemperatur beobachtbar sind.“ Dadurch, so der Forscher, können wir Chips entwerfen und betreiben, die Quanteneffekte aktiv ausnutzen, ohne dass eine komplexe Kühlinfrastruktur erforderlich ist.
Professor Hatef Sadeghi von der University of Warwick, der an dem Projekt beteiligt ist, fügte hinzu: „Dieses Projekt ermöglicht die Realisierung eines einzelnen Nanoband-Geräts, das nicht nur die Untersuchung grundlegender Quanteneffekte, wie etwa des Verhaltens von Elektronen und Phononen auf der Nanoskala, ermöglicht, sondern diesen Effekt auch für Anwendungen in der Quantenschaltung, Quantensensorik und Quantenenergieumwandlung nutzen kann.“
Graphen-Nanobänder sind noch nicht reif für kommerzielle Anwendungen und es gibt noch viel Forschungsbedarf. In Folgeforschungen wollen Zhang und Perrin verschiedene Quantenzustände auf einem einzelnen Nanostreifen manipulieren. Darüber hinaus planen sie die Entwicklung von Geräten auf Basis zweier in Reihe geschalteter Nanobänder, die sogenannte Doppelquantenpunkte bilden. Solche Schaltkreise können als Qubits dienen, die kleinsten Informationseinheiten in Quantencomputern. Darüber hinaus erhielt Perrin kürzlich einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) und ein Sccellenza Professional Fellowship des Schweizerischen Nationalfonds (SNF), wo er Nanobänder als effiziente Energiewandler einsetzen will. In seiner Antrittsvorlesung an der ETH Zürich stellte er sich eine Welt vor, in der wir Temperaturunterschiede nutzen könnten, um Strom zu erzeugen und dabei nahezu keine Wärmeenergie zu verlieren – ein echter Quantensprung.
internationale Zusammenarbeit
Mehrere Forschungsgruppen leisteten wichtige Beiträge zum Projekt. Die Graphen-Nanobänder wurden vom Empa-Labor Nanotechnology@Surface unter der Leitung von Roman Fasel aus Vorläufermolekülen gezüchtet, die von Klaus Müllens Gruppe am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz bereitgestellt wurden.
Diese Nanobänder wurden von Mitgliedern des Empa-Labors für Nanoscale Interfacial Transport unter der Leitung von Michel Calame, zu dem auch die Forschungsgruppe von Mickael Perrin gehörte, in Nanofabrikationsgeräte integriert. Die für diese spezielle Studie erforderlichen präzise angeordneten, hochwertigen Kohlenstoffnanoröhren wurden von Zhang Jins Forschungsgruppe an der Peking-Universität bereitgestellt. Um die Ergebnisse zu interpretieren, arbeiteten Empa-Forscher schließlich unter der Leitung von Hatef Sadeghi mit Informatikern der University of Warwick zusammen.