量子技術には大きな期待が寄せられていますが、複雑さも伴います。量子技術は、今後数十年間で一連の技術進歩をもたらし、よりコンパクトでより正確なセンサー、より強力でより安全な通信ネットワーク、より大容量のコンピューターを実現すると予想されています。これらの進歩は現在のコンピューティング技術の能力を超え、新薬や新素材の迅速な開発、金融市場の制御、天気予報の強化に役立ちます。
これらの利点を実現するには、重要な量子物理効果を示す、いわゆる量子材料が必要です。グラフェンもそのような材料の 1 つです。この炭素の二次元構造形態は、超高引張強度、熱伝導率、電気伝導率、特定の量子効果などの異常な物理的特性を備えています。このすでに 2 次元の材料をリボン状の形状にするなどしてさらに閉じ込めることで、さまざまな制御可能な量子効果が生まれます。
これはまさにミカエル・ペリン氏のチームが研究で活用していることだ。ミシェル・カラム氏率いるエンパのナノ界面輸送研究所の科学者たちは数年間、グラフェンナノリボンの研究を行ってきた。 「グラフェン ナノリボンは、グラフェンそのものよりもさらに魅力的です」とペリン氏は説明します。 「グラフェンナノリボンの長さと幅、エッジの形状を変更し、他の原子を追加することで、さまざまな電気的、磁気的、光学的特性を与えることができます。」
非常に正確 - 単一原子に至るまで
有望なナノリボンを研究するのは簡単な作業ではありません。ナノリボンの幅が狭くなるほど、その量子特性はより顕著になりますが、同時に個々のナノリボンを取得することも難しくなります。これは、この量子材料のユニークな特性と応用の可能性を理解し、それらを集合的な効果と区別するために必要です。
Nature Electronics誌に最近掲載された新しい研究では、PerrinとEmpaの研究者Jian Zhangと国際チームが、原子的に正確な個々の長いグラフェンナノリボンに初めてアクセスすることに成功した。 Zhang Jian氏は、「炭素原子9個分の幅しかないグラフェンナノリボンの幅は、わずか1ナノメートルだ。確実に1つのナノリボンのみが接触するように、研究者らは同様のサイズの電極を使用した。使用したカーボンナノチューブの直径もわずか1ナノメートルだった」と述べた。
このような手の込んだ実験では、精度が重要です。まずは原材料です。研究者らは、Roman Fasel 率いる Empa の nanotech@Surfaces 研究室との長期にわたる緊密な協力を通じてグラフェン ナノリボンを入手しました。 「ローマン・ファゼル氏と彼のチームは長年グラフェンナノリボンの研究に取り組んできており、単一の前駆体分子から原子精度でさまざまな種類のグラフェンナノリボンを合成することができます」とペリン氏は説明する。前駆体分子は、マインツのマックス プランク高分子研究所から提供されました。
技術の進歩を促進するには学際性が重要であり、さまざまな国際研究グループが関与しており、それぞれが独自の専門知識を持ち込んでいます。カーボン ナノチューブは北京大学の研究グループによって成長させられ、その結果を解釈するために、Empa の研究者はウォリック大学の計算科学者と協力しました。
個々のカーボンストリップをナノチューブと接触させることは、研究者にとって大きな課題となります。 「カーボンナノチューブとグラフェンナノリボンはそれぞれ異なる基板上で成長します」とZhang氏は説明した。 「まず、ナノチューブをデバイス基板に転写し、金属電極と接触させる必要があります。次に、高解像度電子ビームリソグラフィーを使用してナノチューブを切断し、2つの電極に分離します。最後に、ナノチューブを2つの電極に切断します。」テープは同じ基板に転写されます。精度が重要です。基板がわずかに回転しただけでも、接触が成功する確率は大幅に低下します。リュシュリコンにある IBM Research Center Binnig and Rocher の高品質インフラストラクチャにアクセスできることは、このテクノロジーのテストと実装にとって非常に重要です。」
コンピューターからエネルギー変換器まで
科学者らは電荷移動測定を通じて実験の成功を確認した。量子効果は通常、低温でより顕著になるため、絶対零度に近い高真空環境で測定を行いました。しかし、彼はすぐに、グラフェン ナノリボンのもう 1 つの特に有望な特性を付け加えました。「これらのナノリボンのサイズは非常に小さいため、その量子効果は非常に強く、室温でも観察できると予想されます。」これにより、複雑な冷却インフラを必要とせずに、量子効果を積極的に活用するチップの設計と運用が可能になると研究者は述べています。
このプロジェクトに参加しているウォリック大学のハテフ・サデギ教授は、「このプロジェクトにより、単一のナノリボンデバイスの実現が可能になる。これにより、電子やフォノンがナノスケールでどのように振る舞うかといった基本的な量子効果の研究が可能になるだけでなく、この効果を量子スイッチング、量子センシング、量子エネルギー変換の応用に活用することもできる」と付け加えた。
グラフェン ナノリボンはまだ商業用途に向けた準備が整っておらず、まだ多くの研究が行われています。追跡研究では、Zhang と Perrin は単一のナノストリップ上の異なる量子状態を操作することを目指しています。さらに、直列に接続された 2 つのナノリボンに基づいて、いわゆる二重量子ドットを形成するデバイスを作成することも計画しています。このような回路は、量子コンピューターの情報の最小単位である量子ビットとして機能します。さらに、ペリン氏は最近、欧州研究評議会 (ERC) から開始助成金を、スイス国立科学財団 (SNSF) から Sccellenza Professional Fellowship を受け取り、効率的なエネルギー変換器としてナノリボンを使用する予定です。チューリッヒ工科大学での最初の講義で、彼は熱エネルギーをほとんど失わずに温度差を利用して発電できる世界、つまり本当の量子飛躍を思い描いた。
国際協力
いくつかの研究グループがプロジェクトに重要な貢献をしました。グラフェン ナノリボンは、マインツのマックス プランク高分子研究所のクラウス ミューレンのグループが提供した前駆体分子から、Roman Fasel 率いる Empa Nanotechnology@Surface Laboratory によって成長させられました。
これらのナノリボンは、ミカエル・ペリンの研究グループも含まれるミシェル・カラム率いるエンパのナノスケール界面輸送研究室のメンバーによってナノ製造デバイスに組み込まれた。この特定の研究に必要な、正確に配置された高品質のカーボン ナノチューブは、北京大学の Zhang Jin の研究グループによって提供されました。最後に、この発見を解釈するために、Empa の研究者は、Hatef Sadeghi の指導の下、ウォリック大学の計算科学者と協力しました。