Un’innovativa tecnologia quantistica tutta basata sul carbonio

La notizia è di quelle ghiotte, soprattutto sul piano scientifico.
Tutto parte dai cosiddetti “nano-ribbons di grafene”, che hanno proprietà eccezionali, le quali possono essere controllate con precisione.
Un nanoribbon o nano-nastro di grafene è una striscia di larghezza di qualche decina di nanometri di tale materiale, laddove un nanometro equivale a un miliardesimo di metro.
Ricercatori di Svizzera, Cina, Regno Unito e Germania sono riusciti a collegare degli elettrodi a singoli nanoribbon di precisione atomica, aprendo la strada a una caratterizzazione precisa di questi affascinanti nastri di grafene e al loro possibile utilizzo nella tecnologia quantistica.

Quei difetti nei semiconduttori utili ai supercomputer quantistici

Verso sensori più piccoli e più precisi, reti di comunicazione sicurissime e supercomputer più potenti

La tecnologia quantistica è promettente, ma anche complessa.
Nei prossimi decenni, si prevede che ci fornirà diverse innovazioni tecnologiche: sensori più piccoli e più precisi, reti di comunicazione altamente sicure e computer superpotenti, che potranno aiutare a sviluppare nuovi farmaci e materiali, a controllare i mercati finanziari e a prevedere il tempo meteorologico molto più velocemente di quanto possa fare l’attuale tecnologia informatica.
Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo bisogno dei cosiddetti materiali quantistici: sostanze che presentano marcati effetti fisici quantici.
Uno di questi materiali è, per l’appunto, il grafene.
Questa forma strutturale bidimensionale del carbonio ha proprietà fisiche insolite, come una resistenza alla trazione straordinariamente elevata, una grande conducibilità termica ed elettrica, oltre ad alcuni effetti quantistici.
Limitando ulteriormente il materiale, di per sé già bidimensionale, ad esempio dandogli una forma a nastro, si ottiene una serie di effetti quantici controllabili dall’uomo.

Sostegno “monstre” per la ricerca sui materiali quantistici

“Variando lunghezza e larghezza del grafene, si ha ogni tipo di proprietà elettrica, magnetica e ottica”

È proprio su questo che fa leva il team di Mickael Perrin nel proprio lavoro: da diversi anni gli scienziati del Laboratorio Transport at Nanoscale Interfaces dell’EMPA, diretto da Michel Calame, conducono ricerche sulle nano-strisce di grafene sotto la sua guida.
“I nanoribboncini grafenici sono ancora più affascinanti del grafene stesso”, spiega Perrin.
“Variando la loro lunghezza e larghezza, nonché la forma dei loro bordi, e aggiungendovi altri atomi, è possibile conferire loro ogni tipo di proprietà elettrica, magnetica e ottica”.
La ricerca su queste promettenti “strisce” non è facile.
Più il nastro è stretto, più le sue proprietà quantistiche sono pronunciate, ma diventa anche più difficile accedere a un singolo nastro alla volta.
È proprio questo che bisogna fare per comprendere le caratteristiche uniche e le possibili applicazioni di questo materiale quantistico e distinguerle dagli effetti collettivi.
In un nuovo studio pubblicato di recente sulla rivista “Nature Electronics”, Mickael Perrin e il ricercatore Jian Zhang del Laboratorio Federale di Scienza e Tecnologia dei Materiali della Svizzera, insieme a un team internazionale, sono riusciti per la prima volta ad “entrare in contatto” con singole nano-strisce di grafene lunghi e di precisione atomica.

Mini generatori di elettricità formati da… punti quantici

Quell’interdisciplinarietà chiave che attraversa le competenze di Cina, Germania, Regno Unito e Svizzera

E non è un compito banale: “Un nanoribbon grafenico largo appena nove atomi di carbonio misura appena 1 nanometro di larghezza”, spiega Zhang.
Per garantire che soltanto un singolo nanoribbon venga contattato, i ricercatori hanno impiegato elettrodi di dimensioni simili.
Hanno utilizzato nano-tubi di carbonio, anch’essi di appena un nanometro di diametro, laddove va ricordato che quest’ultimo equivale alla miliardesima parte di un metro.
La precisione è fondamentale per un esperimento così delicato. E si comincia con i materiali di partenza.
I ricercatori hanno ottenuto i nano-ribbons di grafene grazie a una solida collaborazione di lunga data con il laboratorio nanotech@surfaces dell’EMPA, diretto da Roman Fasel.
“Roman Fasel e il suo team lavorano da tempo sulle nano-strisce di grafene e sono in grado di sintetizzarne molti tipi diversi con precisione atomica a partire da singole molecole precursori”, aggiunge Mickael Perrin.
Le molecole precursori provengono dal Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz, in Germania.
Come spesso accade per far progredire lo stato dell’arte, l’interdisciplinarità è fondamentale e sono stati coinvolti diversi gruppi di ricerca internazionali, ognuno dei quali ha apportato la propria specialità.
I nano-tubi di carbonio sono stati coltivati da un gruppo di ricerca dell’Università di Pechino, mentre per interpretare i risultati dello studio i ricercatori dell’EMPA hanno collaborato con scienziati computazionali dell’Università di Warwick.

Passo avanti sperimentale verso i supercomputer quantistici

Nano-tubi di carbonio e nano-strisce di grafene, ognuno lungo… 9 atomi, cresciuti su substrati separati

“Un progetto come questo non sarebbe possibile senza forme di collaborazione”, ha sottolineato Jian Zhang.
Il contatto dei singoli nastri con i nano-tubi ha rappresentato una sfida notevole per i ricercatori.
“I nano-tubi di carbonio e i nano-ribbons di grafene sono cresciuti su substrati separati”, spiega Zhang.
“Per prima cosa, i nano-tubi devono essere trasferiti sul substrato del dispositivo e messi a contatto con elettrodi metallici. Poi li tagliamo con la litografia a fascio di elettroni ad alta risoluzione per separarli in due elettrodi”.
Infine, i nastri vengono trasferiti sullo stesso substrato.
La precisione è fondamentale: anche la minima rotazione dei substrati può ridurre significativamente la probabilità di successo del contatto.
“Avere accesso a un’infrastruttura di alta qualità presso il Binnig and Roher Nanotechnology Center dell’IBM Research di Rüschlikon è stato essenziale per testare e implementare questa tecnologia”, spiega Perrin.

Verso computer quantistici compatti grazie alla… topologia

Chip che sfruttano gli effetti quantici senza necessità di un’elaborata infrastruttura di raffreddamento

Gli scienziati hanno confermato il successo del loro esperimento attraverso misure di trasporto di carica.
“Poiché gli effetti quantistici sono solitamente più pronunciati a bassa temperatura, abbiamo eseguito le misure a temperature prossime allo zero assoluto in un vuoto spinto”, spiega Perrin.
Ma Mickael si affretta ad aggiungere un’altra qualità particolarmente promettente dei nano-ribbons di grafene.
“Grazie alle dimensioni estremamente ridotte di questi nano-ribbons, ci aspettiamo che i loro effetti quantistici siano così robusti da essere osservabili anche a temperatura ambiente”.
Tutto ciò, secondo il ricercatore, potrebbe permetterci di progettare e utilizzare chip che sfruttano attivamente gli effetti quantistici senza la necessità di un’elaborata infrastruttura di raffreddamento.
“Questo progetto consente di realizzare dispositivi a ‘nanoribbonio singolo’, non solo per studiare gli effetti quantistici fondamentali, come il comportamento degli elettroni e dei fononi su scala nanometrica, ma anche per sfruttare tali effetti per applicazioni di commutazione quantistica, rilevamento quantistico e conversione quantistica dell’energia”, aggiunge Hatef Sadeghi, professore dell’Università di Warwick, che ha collaborato al progetto.

Dalla IBM un processore quantistico “monstre” da ben 433 Qubit

Dai nano-ribbons in serie per generare un qubit all’elettricità ricavata dalle differenze di temperatura

I nano-ribbons di grafene non sono ancora pronti per le applicazioni commerciali e c’è ancora molta ricerca da fare.
In uno studio successivo, il duo Zhang-Perrin intendono manipolare diversi stati quantici su un singolo nanoribbon.
Inoltre, intendono creare dispositivi basati su due nastri collegati in serie, formando un cosiddetto doppio punto quantico.
Un circuito di questo tipo potrebbe fungere da qubit, la più piccola unità di informazione in un computer quantistico.
Inoltre, Mickael Perrin, nell’ambito di una recente sovvenzione Starting Grant del Consiglio Europeo della Ricerca e di una borsa di studio Excellence Professorial Fellow del Fondo Nazionale Svizzero per la Scienza, intende esplorare l’uso dei nanoribbon come convertitori di energia ad alta efficienza.
Nella sua conferenza inaugurale al Politecnico di Zurigo, dipinge l’immagine di un mondo in cui potremo sfruttare l’elettricità dalla differenza di temperatura, senza perdere energia sotto forma di calore: si tratterebbe di un vero e proprio salto quantico.

È made-by-IBM il primo processore quantistico da 127 qubit

Una collaborazione internazionale da Warwick a Pechino, passando per Mainz, Dübendorf e Rüschlikon

Diversi gruppi di ricerca hanno dato un contributo fondamentale a questo progetto.
I nano-ribbons di grafene sono stati coltivati dal laboratorio nanotech@surfaces dell’EMPA, diretto da Roman Fasel, sulla base di molecole precursori fornite dal team di Klaus Müllen del Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz.
I nano-ribbons sono stati integrati in dispositivi nanofabbricati dai membri del laboratorio Transport at Nanoscale Interfaces dell’EMPA, diretto da Michel Calame, nel quale è inserito il gruppo di Mickael Perrin.
I nano-tubi di carbonio di alta qualità e allineati con precisione, necessari per questo studio particolare, sono stati forniti dal gruppo di ricerca di Jin Zhang dell’Università di Pechino.
Infine, per interpretare i risultati dello studio, i ricercatori dell’EMPA hanno collaborato con gli scienziati computazionali dell’Università di Warwick sotto la supervisione di Hatef Sadeghi.

Verso un neurone artificiale quantistico grazie ai fotoni