Sveitsiläisen Empa-tutkimuslaitoksen tutkijat ovat yhdessä Max Planck Instituten ja muiden yhteistyökumppaneiden kanssa saavuttaneet läpimurron, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää tarkkoihin nanotransistoreihin tai mahdollisesti jopa kvanttitietokoneisiin. Tutkijoiden tuottamat puolijohteiset nanokomponentit voivat mahdollistaa transistorit, joiden kanavan poikkileikkaus on tuhat kertaa pienempi kuin nykyisillä.
Muutaman atomin levyisiin grafeenin nanonauhoihin onnistuttiin luomaan paikallisia kvanttitiloja. Näillä nanonauhoilla on erilaisia kiinteitä sähköisiä ominaisuuksia riippuen niiden muodoista ja leveydestä kuten johde, puolijohde tai eriste. Nyt tutkijat onnistuivat vaihtelemaan nauhojen ominaisuuksia varioimalla tarkasti niiden muotoa. Uuden tekniikan erityispiirteenä on, että mainittuja "tavanomaisia" elektronisten ominaisuuksia voidaan vaihdella ja tekniikkaa voidaan käyttää myös luomaan erityisiä paikallisia kvanttitiloja.
Kun kapean grafeeninauhan leveys muuttuu esimerkiksi seitsemästä yhdeksään atomiin, siirtymäkohtaan syntyy erityinen vyöhyke: koska kahden alueen sähköiset ominaisuudet poikkeavat toisistaan erityisellä topologisella tavalla, ollen näin "suojattu" ja siten siirtymävyöhykkeessä syntyy uusi vankka kvanttitila.
Tällaista paikallista elektronista kvanttitilaa voidaan sitten käyttää peruskomponenttina tuottamaan räätälöityjä puolijohteita, metalleja tai eristeitä ja mahdollisesti myös kvanttitietokoneiden komponenttina.
Empa-ryhmän tutkijat pystyivät osoittamaan, että jos nämä nauhat on rakennettu säännöllisesti vaihtelevilla vyöhykkeillä, joilla on eri leveydet, lukuisien siirtymien kautta syntyy ketju toisiinsa kytkeytyneitä kvanttitiloja, joilla on oma elektroninen rakenne. Kiinnostavaa on, että ketjun sähköiset ominaisuudet muuttuvat eri segmenttien leveydestä riippuen. Täten niitä voidaan hienosäätää johteista puolijohteisiin, joilla on erilaiset kaistaerot.
Näihin uusiin kvanttiketjuihin perustuen on mahdollista tulevaisuudessa valmistaa tarkkoja nanotransistoreita, mikä on olennainen askel matkalla nanoelektroniikkaan. Tutkijoiden tuottamat puolijohteiset nanokomponentit mahdollistaisivat transistorit, joiden kanavan poikkileikkaus on tuhat kertaa pienempi kuin nykyisillä.
Muita mahdollisuuksia voidaan kuvitella esimerkiksi spintroniikan tai jopa kvanttitietotekniikan alalla. Elektroniset kvanttitilat, joilla on eri leveys grafeenikaistaleiden liitoksissa, voivat kantaa myös magneettista momenttia. Tämä voisi mahdollistaa informaation käsittelemisen spinin avulla.
Empan tutkijaryhmä havainnoi myös mahdollisuuden käyttää menettelyä kubittien osina, mutta Kalifornian yliopiston Berkeleyn tiedemiehet ovat tutkineet erityisesti tätä mahdollisuutta. Kyseiset materiaalit ovat vakaita ympäristöolosuhteissa ja tällä seikalla on tutkijoiden mukaan tärkeä rooli tulevien sovellusten kehittämisessä.
Rakenteellisia nanonauhakaistaleita voitaisiin käyttää nanomittakaavan elektronien yksiulotteisina ansoina, joka sitoo yksittäisiä elektroneja liikkumattomiksi nauhasegmenttien väliseen liitokseen. Tämän saavuttamiseksi kuitenkin kahden nanonauhaosan elektronin "topologia" tulee olla erilainen.
Berkeleyn tutkijoiden mukaan nanonauha, jossa on vaihtelevan levyisiä osia muodostaa nanonauhan superhilan, joka tuottaa elektronien linjan, joka on vuorovaikutuksessa kvanttimekaanisesti. Riippuen kaistaleiden etäisyydestä, tällainen hybridi nanonauha on joko metalli, puolijohde tai kubit-ketju.
Jos kaksi elektronia on samalla tavoin ansoitettu sopivasti toistensa läheisyyteen, molemmat voivat tunneloitua nanonauhaa pitkin ja kohdata toisensa kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisesti. Ja vierekkäisten elektronien spinit, jos ne sijaitsevat oikein, tulevat lomittuneiksi, mikä on olennaista kvanttitietotekniikan toteutuksessa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 17.8.2018
