Quantentechnologie aus Kohlenstoff Nanobänder aus Graphen mit Elektroden versehen

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Nur wenige Atome breit sind die Graphen-Nanobänder, mit denen Forscher der Empa arbeiten. Den Wissenschaftlern gelang es nun erstmals, diese Bänder einzeln mit Elektroden zu versehen – ein wichtiger Erfolg auf dem Weg zu möglichen Anwendungen in der Quantentechnologie.

Sie ist vielversprechend, aber auch verblüffend und verwirrend: Quantentechnologie soll uns in den nächsten Jahrzehnten technologische Durchbrüche verschaffen, etwa kleinere und präzisere Sensoren, hochsichere Kommunikationsnetzwerke und leistungsstarke Computer, die in kürzester Zeit neue Medikamente und Materialien entwickeln helfen, Finanzmärkte steuern und das Wetter vorhersagen können.

Dafür brauchen wir so genannte Quantenmaterialien: Stoffe, die ausgeprägte quantenphysikalische Effekte zeigen. Eines davon ist Graphen. Diese zweidimensionale Strukturform des Kohlenstoffs verfügt über ungewöhnliche physikalische Eigenschaften, etwa eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit, Wärme- und Stromleitfähigkeit. Schränkt man das ohnehin zweidimensionale Material räumlich noch mehr ein, etwa zu einem schmalen Band, entstehen kontrollierbare Quanteneffekte.

Genau dies macht sich das Team von Mickael Perrin zunutze: Im Empa-Labor „Transport at Nanoscale Interfaces“, geleitet von Michel Calame, forschen Wissenschaftler in Perrins Team an Graphen-Nanobändern. „Nanobänder aus Graphen sind noch faszinierender als Graphen selbst“, sagt Perrin. „Indem man ihre Länge und Breite sowie die Form ihrer Ränder variiert und sie mit anderen Atomen versetzt, kann man ihnen alle erdenklichen elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften verleihen.“

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Nanometer-Arbeit – aufs Atom genau

Die Forschung an den vielversprechenden Graphen-Bändchen gestaltet sich oft schwierig: Je schmaler das Band, desto deutlicher sind zwar seine Quanteneigenschaften – aber desto anspruchsvoller wird es auch, ein einzelnes Band anzusteuern. Genau das ist aber unabdingbar, um die Besonderheiten und möglichen Anwendungen dieses Quantenmaterials im Detail zu verstehen.

In einer neuen internationalen Studie ist es Perrin, Jian Zhang und ihrem Team erstmals gelungen, einzelne lange, atomar genaue Graphen-Nanobänder elektrisch leitend zu kontaktieren. Keine triviale Aufgabe: „Ein Graphen-Nanoband, das nur neun Kohlenstoffatome breit ist, misst gerade einmal ein Nanometer in der Breite“, sagt Zhang. Um einzelne Bänder zu kontaktieren, verwendeten die Forscher ähnlich kleine Elektroden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von ebenfalls nur einem Nanometer.

Einzelne Bänder mit den Nanoröhrchen zu kontaktieren, war eine besondere Herausforderung für das Team. „Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die Graphen-Nanobänder werden auf separaten Substraten gezüchtet“, sagt Zhang. „Zuerst müssen die Röhrchen auf das Experimentsubstrat übertragen und mit Metallelektroden kontaktiert werden. Dann schneiden wir sie mittels hochauflösender Elektronenstrahllithografie, um sie in je zwei Elektroden zu trennen.“ Schließlich werden die Bänder auf dasselbe Substrat übertragen. Präzision ist dabei entscheidend: Schon die kleinste Drehung der Substrate kann einen erfolgreichen Kontakt verhindern.

Vision: Ein Quantensprung in der Energietechnik

Den Erfolg bestätigten die Wissenschaftler durch Messungen von Ladungstransport. „Quanteneffekte sind bei tiefen Temperaturen in der Regel deutlicher, deshalb haben wir die Messungen bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt im Hochvakuum durchgeführt“, erklärt Perrin, und nennt zugleich eine besonders vielversprechende Eigenschaft von Graphen-Nanobändchen: „Dank ihrer extrem kleinen Größe sind ihre Quanteneigenschaften sehr robust. Wir erwarten, dass sie sogar bei Raumtemperatur noch nachweisbar sind.“ Dies könnte es nach Angaben des Forschers ermöglichen, Quantentechnologien zu entwickeln, die ohne aufwändige Kühlinfrastruktur auskommen.

Noch sind Graphen-Nanobänder aber nicht bereit für kommerzielle Anwendungen. In Folgestudien wollen Perrin und Zhang unterschiedliche Quantenzustände auf einem einzelnen Band kontrollieren, sowie zwei Nanobänder in Serie zu einem so genannten doppelten Quantenpunkt zusammenschalten. Eine solche Schaltung könnte als Qubit dienen – die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers. Außerdem will Perrin die Nutzung von Nanobändern als hocheffiziente Energiewandler erforschen. In seiner Antrittsvorlesung an der ETH Zürich zeichnet er das Bild einer Welt, in der wir Strom aus Temperaturunterschieden gewinnen und kaum noch Energie als Wärme verlieren – das wäre ein sprichwörtlicher Quantensprung für die Energiegewinnung.

Originalpublikation: Zhang, J., Qian, L., Barin, G.B. et al.: Contacting individual graphene nanoribbons using carbon nanotube electrodes, Nat Electron (2023); 10.1038/s41928-023-00991-3

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