La tecnología cuántica es muy prometedora, pero también está plagada de complejidad. Se espera que la tecnología cuántica traiga una serie de avances tecnológicos en las próximas décadas, brindándonos sensores más compactos y precisos, redes de comunicación más potentes y seguras y computadoras de mayor capacidad. Estos avances superarán las capacidades de las tecnologías informáticas actuales y ayudarán a desarrollar rápidamente nuevos medicamentos y materiales, controlar los mercados financieros y mejorar los pronósticos meteorológicos.
Para aprovechar estas ventajas, necesitamos los llamados materiales cuánticos, que muestran importantes efectos físicos cuánticos. El grafeno es uno de esos materiales. Esta forma estructural bidimensional de carbono tiene propiedades físicas inusuales, como una resistencia a la tracción ultraalta, conductividad térmica y eléctrica y ciertos efectos cuánticos. Confinar aún más este material ya bidimensional, como darle una forma de cinta, produce una variedad de efectos cuánticos controlables.
Esto es exactamente lo que el equipo de Mickael Perrin aprovecha en su trabajo: desde hace varios años, los científicos del Laboratorio de Transporte Nanointerfacial de Empa, dirigidos por Michel Calame, investigan las nanocintas de grafeno. "Las nanocintas de grafeno son incluso más fascinantes que el propio grafeno", explica Perrin. "Al cambiar la longitud y el ancho de las nanocintas de grafeno, la forma de sus bordes y agregar otros átomos, se les puede otorgar una variedad de propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas".
Extremadamente preciso: hasta un solo átomo
Estudiar nanocintas prometedoras no es una tarea fácil. Cuanto más estrecha es la nanocinta, más pronunciadas son sus propiedades cuánticas, pero también es más difícil obtener nanocintas individuales al mismo tiempo. Esto es necesario para comprender las propiedades únicas y las posibles aplicaciones de este material cuántico y distinguirlas de los efectos colectivos.
En un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Nature Electronics, Perrin y el investigador de Empa Jian Zhang, junto con un equipo internacional, accedieron con éxito por primera vez a nanocintas de grafeno individuales, largas y atómicamente precisas. Zhang Jian dijo: "El ancho de las nanocintas de grafeno, que tienen sólo 9 átomos de carbono de ancho, es de sólo 1 nanómetro. Para garantizar que sólo se contacte con una nanocinta, los investigadores utilizaron electrodos de tamaño similar: los nanotubos de carbono que utilizaron también tenían sólo 1 nanómetro de diámetro".
Para un experimento tan elaborado, la precisión es clave. El primero es el material fuente. Los investigadores obtuvieron las nanocintas de grafeno a través de una estrecha colaboración a largo plazo con el laboratorio nanotech@Surfaces de Empa dirigido por Roman Fasel. "Roman Fasel y su equipo llevan mucho tiempo trabajando en nanocintas de grafeno y pueden sintetizar muchos tipos diferentes de nanocintas de grafeno con precisión atómica a partir de una única molécula precursora", explica Perrin. Las moléculas precursoras proceden del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia.
Como suele ser necesario para impulsar el progreso tecnológico, la interdisciplinariedad es clave, y participan diferentes grupos de investigación internacionales, cada uno de los cuales aporta su propia experiencia: los nanotubos de carbono fueron cultivados por un grupo de investigación de la Universidad de Pekín y, para interpretar los resultados, los investigadores de Empa colaboraron con científicos computacionales de la Universidad de Warwick.
Poner en contacto tiras de carbono individuales con nanotubos plantea un enorme desafío para los investigadores. "Los nanotubos de carbono y las nanocintas de grafeno se cultivan en sustratos diferentes, respectivamente", explicó Zhang. "Primero, los nanotubos deben transferirse al sustrato del dispositivo y ponerse en contacto con electrodos metálicos. Luego, los cortamos utilizando litografía por haz de electrones de alta resolución para separarlos en dos electrodos. Finalmente, cortamos los nanotubos en dos electrodos". Las cintas se transfieren al mismo sustrato. La precisión es clave: incluso la más mínima rotación del sustrato reduce significativamente la probabilidad de un contacto exitoso. Tener acceso a la infraestructura de alta calidad del Centro de Investigación de IBM Binnig y Rocher en Lüschlikon es crucial para probar e implementar esta tecnología".
De los ordenadores a los convertidores de energía
Los científicos confirmaron el éxito del experimento mediante mediciones de transferencia de carga. Dado que los efectos cuánticos suelen ser más pronunciados a bajas temperaturas, realizamos mediciones en un entorno de alto vacío cercano al cero absoluto. Pero rápidamente añade otra propiedad particularmente prometedora de las nanocintas de grafeno: "Debido al tamaño extremadamente pequeño de estas nanocintas, esperamos que sus efectos cuánticos sean muy fuertes y observables incluso a temperatura ambiente". Esto, afirma el investigador, nos permitirá diseñar y operar chips que exploten activamente los efectos cuánticos sin la necesidad de una infraestructura de refrigeración compleja.
El profesor Hatef Sadeghi de la Universidad de Warwick, que participa en el proyecto, añadió: "Este proyecto permite la realización de un único dispositivo de nanocinta, que no sólo permite el estudio de efectos cuánticos fundamentales, como cómo se comportan los electrones y fonones a nanoescala, sino que también puede explotar este efecto para aplicaciones en conmutación cuántica, detección cuántica y conversión de energía cuántica".
Las nanocintas de grafeno aún no están listas para aplicaciones comerciales y todavía queda mucha investigación por hacer. En una investigación de seguimiento, Zhang y Perrin pretenden manipular diferentes estados cuánticos en una sola nanotira. Además, planean crear dispositivos basados en dos nanocintas conectadas en serie, formando los llamados puntos cuánticos dobles. Estos circuitos pueden servir como qubits, las unidades de información más pequeñas en las computadoras cuánticas. Además, Perrin recibió recientemente una subvención inicial del Consejo Europeo de Investigación (ERC) y una beca profesional Sccellenza de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), donde planea utilizar nanocintas como convertidores de energía eficientes. En su conferencia inaugural en la ETH Zurich, imaginó un mundo en el que podríamos aprovechar las diferencias de temperatura para generar electricidad sin perder casi nada de energía térmica: un verdadero salto cuántico.
cooperación internacional
Varios grupos de investigación hicieron importantes contribuciones al proyecto. Las nanocintas de grafeno fueron cultivadas por el Laboratorio Empa Nanotechnology@Surface, dirigido por Roman Fasel, a partir de moléculas precursoras proporcionadas por el grupo de Klaus Müllen en el Instituto Max-Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz.
Estas nanocintas fueron integradas en dispositivos de nanofabricación por miembros del Laboratorio de Transporte Interfacial a Nanoescala de Empa, dirigido por Michel Calame, que también incluía al grupo de investigación de Mickael Perrin. Los nanotubos de carbono de alta calidad, dispuestos con precisión y necesarios para este estudio en particular, fueron proporcionados por el grupo de investigación de Zhang Jin en la Universidad de Pekín. Finalmente, para interpretar los hallazgos, los investigadores de Empa colaboraron con científicos computacionales de la Universidad de Warwick, bajo la dirección de Hatef Sadeghi.