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Maßgeschneiderte Nanobänder aus Graphen

Quantenketten für Nanotransistoren und Quantencomputer

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Ein Ausflug in die Quantenwelt

Ultrakleine Transistoren – und damit der nächste Schritt in der weiteren Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – liegen hier als Anwendungsmöglichkeit nahe. Sie sind zwar eine technische Herausforderung, doch eigentlich funktioniert Elektronik, die auf Nanotransistoren aufgebaut ist, nicht fundamental anders als die heutige Mikroelektronik. Die von den Empa-Forschern hergestellten halbleitenden Nanobänder würden es erlauben, Transistoren mit einem tausendmal kleineren Kanalquerschnitt als heute üblich zu realisieren. Es sind aber auch weitergehende Möglichkeiten denkbar, etwa im Bereich der Spintronik oder gar der Quanteninformatik.

Denn die elektronischen Quantenzustände an bestimmten Übergängen verschieden breiter Graphen-Nanobänder können zusätzlich auch ein magnetisches Moment tragen. Dies könnte es ermöglichen, Information nicht wie bisher üblich durch Ladung, sondern durch den so genannten Spin – im übertragenen Sinne die „Drehrichtung“ des Zustandes – zu verarbeiten.

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Und die Entwicklung könnte sogar noch einen Schritt weitergehen. „Wir haben beobachtet, dass an den Enden bestimmter Quantenketten topologische Endzustände auftreten. Dies bietet die Möglichkeit, diese als Elemente so genannter Qubits zu nutzen – die komplexen, untereinander verschränkten Zustände in einem Quantenrechner“, erklärt Gröning.

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Ein Quantencomputer aus Qubits

Während in einem gewöhnlichen Computer Information mittels Bits binär dargestellt wird (als 0 oder 1), erlaubt ein Quantencomputer komplexere Zustände. Er nutzt Phänomene der Quantenphysik, eine Welt mit speziellen, oft schwer fassbaren Eigenschaften. Genauso wie ein Elektron gleichzeitig Welle und Teilchen ist, kann ein Quantenzustand eine ‚1‘ und eine ‚0‘ darstellen – und zwar gleichzeitig. Während bei einem auf herkömmlichen Transistoren basierenden Computer die Rechenleistung mit zunehmender Anzahl an Bits maximal linear ansteigt, sind Qubits durch ihre Überlagerungs- und Verschränkungseigenschaften untereinander verbunden – die rechnerischen Möglichkeiten steigen dadurch (zumindest theoretisch) exponentiell an. Damit versprechen Quantencomputer große Fortschritte in rechenintensiven Bereichen wie der Kryptographie oder beim „Machine Learning“.

Material auch ohne exotische Bedingungen stabil

Heute und morgen werde aber noch kein Quantencomputer aus Nanobändern gebaut – es sei noch einiges an Forschung nötig, so Gröning. Dennoch hebt der Forscher die Bedeutung hervor, die die Ergebnisse schon jetzt haben: „Die Möglichkeit, die elektronischen Eigenschaften durch die gezielte Verknüpfung einzelner Quantenzustände flexibel einzustellen, stellt für uns einen großen Sprung in der Herstellung neuer Materialien für ultra-miniaturisierte Transistoren dar.“ Dabei spielt die Tatsache, dass diese Materialien unter Umgebungsbedingungen stabil sind, für die Entwicklung künftiger Anwendungen eine wichtige Rolle.

„Faszinierend ist allerdings auch das weitergehende Potenzial der Ketten, lokale Quantenzustände zu erzeugen und diese gezielt miteinander zu verknüpfen“, sagt Gröning weiter. „Ob sich dieses Potenzial auch tatsächlich für künftige Quantenrechner nutzen lässt, ist allerdings noch völlig offen.“ Denn hier genüge es nicht, lokalisierte topologische Zustände in den Nanobändern zu erzeugen – diese müssten auch mit anderen Materialien wie Supraleitern so gekoppelt werden, dass die Voraussetzungen für Qubits tatsächlich gegeben sind.

Originalpublikation: O Gröning, S Wang, X Yao, CA Pignedoli, G Borin Barin, C Daniels, A Cupo, V Meunier, X Feng, A Narita, K Müllen, P Ruffieux R Fasel: Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons. Naturevolume 560, pages209–213 (2018); DOI: 10.1038/s41586-018-0375-9

* K. Weinmann, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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