A tecnologia quântica é muito promissora, mas também está repleta de complexidade. Espera-se que a tecnologia quântica traga uma série de avanços tecnológicos nas próximas décadas, proporcionando-nos sensores mais compactos e precisos, redes de comunicação mais poderosas e seguras e computadores de maior capacidade. Estes avanços excederão as capacidades das actuais tecnologias informáticas, ajudando a desenvolver rapidamente novos medicamentos e materiais, a controlar os mercados financeiros e a melhorar as previsões meteorológicas.
Para concretizar essas vantagens, precisamos dos chamados materiais quânticos, que apresentam efeitos físicos quânticos significativos. O grafeno é um desses materiais. Esta forma estrutural bidimensional de carbono possui propriedades físicas incomuns, como resistência à tração ultra-alta, condutividade térmica e elétrica e certos efeitos quânticos. Confinar ainda mais este material já bidimensional, como dar-lhe uma forma semelhante a uma fita, produz uma gama de efeitos quânticos controláveis.
É exatamente isso que a equipe de Mickael Perrin explora em seu trabalho: há vários anos, cientistas do Laboratório de Transporte Nanointerfacial da Empa, liderados por Michel Calame, vêm conduzindo pesquisas sobre nanofitas de grafeno. “As nanofitas de grafeno são ainda mais fascinantes do que o próprio grafeno”, explica Perrin. "Ao alterar o comprimento e a largura das nanofitas de grafeno, o formato de suas bordas e adicionar outros átomos, você pode dar a elas uma variedade de propriedades elétricas, magnéticas e ópticas."
Extremamente preciso - até um único átomo
Estudar nanofitas promissoras não é tarefa fácil. Quanto mais estreita a nanofita, mais pronunciadas são suas propriedades quânticas, mas também é mais difícil obter nanofitas individuais ao mesmo tempo. Isto é necessário para compreender as propriedades únicas e possíveis aplicações deste material quântico e para distingui-los dos efeitos coletivos.
Em um novo estudo publicado recentemente na revista Nature Electronics, Perrin e o pesquisador da Empa, Jian Zhang, juntamente com uma equipe internacional, acessaram com sucesso pela primeira vez nanofitas de grafeno longas e atomicamente precisas. Zhang Jian disse: "A largura das nanofitas de grafeno, que têm apenas 9 átomos de carbono, é de apenas 1 nanômetro. Para garantir que apenas uma nanofita seja contatada, os pesquisadores usaram eletrodos de tamanho semelhante: os nanotubos de carbono que usaram também tinham apenas 1 nanômetro de diâmetro. "
Para um experimento tão elaborado, a precisão é fundamental. O primeiro é o material de origem. Os pesquisadores obtiveram as nanofitas de grafeno por meio de uma colaboração estreita e de longo prazo com o laboratório nanotech@Surfaces da Empa, liderado por Roman Fasel. "Roman Fasel e sua equipe trabalham há muito tempo em nanofitas de grafeno e podem sintetizar muitos tipos diferentes de nanofitas de grafeno com precisão atômica a partir de uma única molécula precursora", explica Perrin. As moléculas precursoras vieram do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros em Mainz.
Como é frequentemente necessário para impulsionar o progresso tecnológico, a interdisciplinaridade é fundamental, e estão envolvidos diferentes grupos de investigação internacionais, cada um trazendo a sua própria experiência: os nanotubos de carbono foram cultivados por um grupo de investigação na Universidade de Pequim e, para interpretar os resultados, os investigadores da Empa colaboraram com cientistas computacionais da Universidade de Warwick.
O contato de tiras de carbono individuais com nanotubos representa um enorme desafio para os pesquisadores. "Nanotubos de carbono e nanofitas de grafeno são cultivados em substratos diferentes, respectivamente", explicou Zhang. "Primeiro, os nanotubos precisam ser transferidos para o substrato do dispositivo e colocados em contato com eletrodos metálicos. Em seguida, os cortamos usando litografia por feixe de elétrons de alta resolução para separá-los em dois eletrodos. Finalmente, cortamos os nanotubos em dois eletrodos." As fitas são transferidas para o mesmo substrato. A precisão é fundamental: mesmo a menor rotação do substrato reduz significativamente a probabilidade de um contato bem-sucedido. Ter acesso à infraestrutura de alta qualidade no Centro de Pesquisa IBM Binnig e Rocher em Lüschlikon é crucial para testar e implementar esta tecnologia."
De computadores a conversores de energia
Os cientistas confirmaram o sucesso do experimento através de medições de transferência de carga. Como os efeitos quânticos são geralmente mais pronunciados em baixas temperaturas, realizamos medições em um ambiente de alto vácuo próximo ao zero absoluto. Mas ele rapidamente acrescenta outra propriedade particularmente promissora das nanofitas de grafeno: “Devido ao tamanho extremamente pequeno destas nanofitas, esperamos que os seus efeitos quânticos sejam muito fortes e observáveis mesmo à temperatura ambiente”. Isto, diz o pesquisador, nos permitirá projetar e operar chips que exploram ativamente os efeitos quânticos sem a necessidade de infraestruturas de resfriamento complexas.
O professor Hatef Sadeghi, da Universidade de Warwick, que está envolvido no projeto, acrescentou: "Este projeto permite a realização de um único dispositivo de nanofitas, que não só permite o estudo de efeitos quânticos fundamentais, como o comportamento dos elétrons e fônons em nanoescala, mas também pode explorar esse efeito para aplicações em comutação quântica, detecção quântica e conversão de energia quântica. "
As nanofitas de grafeno ainda não estão prontas para aplicações comerciais e ainda há muita pesquisa a ser feita. Na pesquisa de acompanhamento, Zhang e Perrin pretendem manipular diferentes estados quânticos em uma única nanofita. Além disso, planejam criar dispositivos baseados em duas nanofitas conectadas em série, formando os chamados pontos quânticos duplos. Esses circuitos podem servir como qubits, as menores unidades de informação em computadores quânticos. Além disso, Perrin recebeu recentemente uma bolsa inicial do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) e uma bolsa profissional Sccellenza da Swiss National Science Foundation (SNSF), onde planeja usar nanofitas como conversores de energia eficientes. Na sua palestra inaugural na ETH Zurique, ele imaginou um mundo em que poderíamos explorar as diferenças de temperatura para gerar eletricidade sem perder quase nenhuma energia térmica – um verdadeiro salto quântico.
cooperação internacional
Vários grupos de pesquisa deram contribuições importantes ao projeto. As nanofitas de grafeno foram cultivadas pelo Laboratório Empa Nanotechnology@Surface, liderado por Roman Fasel, a partir de moléculas precursoras fornecidas pelo grupo de Klaus Müllen no Instituto Max-Planck de Pesquisa de Polímeros em Mainz.
Essas nanofitas foram integradas em dispositivos de nanofabricação por membros do Laboratório de Transporte Interfacial em Nanoescala da Empa, liderado por Michel Calame, que também incluiu o grupo de pesquisa de Mickael Perrin. Os nanotubos de carbono de alta qualidade, dispostos com precisão, necessários para este estudo específico, foram fornecidos pelo grupo de pesquisa de Zhang Jin na Universidade de Pequim. Finalmente, para interpretar as descobertas, os investigadores da Empa colaboraram com cientistas computacionais da Universidade de Warwick, sob a orientação de Hatef Sadeghi.