Karbon Tabanlı Kuantum Teknolojisi

Kuantum teknolojisi umut verici olduğu kadar kafa karıştırıcıdır da. Önümüzdeki on yılda, bize çeşitli teknolojik atılımlar sağlaması bekleniyor. Daha küçük ve daha hassas sensörler, son derece güvenli iletişim ağları ve yeni ilaçlar ve malzemeler geliştirmeye, finansal piyasaları kontrol etmeye ve hava durumunu mevcut bilgi işlem teknolojisinden çok daha hızlı tahmin etmeye yardımcı olabilecek güçlü bilgisayarlar…

Bunu başarmak için kuantum malzemeleri olarak adlandırılan, belirgin kuantum fiziksel etkiler sergileyen maddelere ihtiyacımız var. Bu tür malzemelerden biri grafendir. Karbonun bu iki boyutlu yapısal formu, olağanüstü yüksek gerilme mukavemeti, termal ve elektriksel iletkenlik gibi alışılmadık fiziksel özelliklerin yanı sıra belirli kuantum etkilerine de sahiptir. Halihazırda iki boyutlu olan malzemeyi daha da kısıtlamak, örneğin ona ribon benzeri bir şekil vermek, bir dizi kontrol edilebilir kuantum etkisinin ortaya çıkmasını sağlar.

Mickael Perrin’in ekibi de çalışmalarında tam olarak bundan yararlanıyor. Michel Calame yönetimindeki Empa’nın Transport at Nanoscale Interfaces laboratuvarındaki bilim insanları birkaç yıldır Perrin’in liderliğinde grafen nanoribbonlar üzerine araştırmalar yürütüyor. “Grafen nanoribonlar grafenin kendisinden bile daha büyüleyici,” diye açıklıyor Perrin. “Uzunluk ve genişliklerinin yanı sıra kenarlarının şeklini değiştirerek ve onlara başka atomlar ekleyerek, onlara her türlü elektriksel, manyetik ve optik özellik kazandırabilirsiniz.”

Yüksek Hassasiyet

Gelecek vaat eden bu ribonlar üzerinde araştırma yapmak kolay değil. Ribon ne kadar dar olursa, kuantum özellikleri de o kadar belirgin olur – ancak aynı zamanda tek bir ribona erişmek de zorlaşır. Bu kuantum malzemesinin benzersiz özelliklerini ve olası uygulamalarını anlamak ve bunları kolektif etkilerden ayırmak için yapılması gereken tam da budur.

Geçtiğimiz günlerde Nature Electronics dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada, Perrin ve Empa araştırmacısı Jian Zhang, uluslararası bir ekiple birlikte ilk kez tek tek uzun ve atomik olarak hassas grafen nanoribonlarla temas kurmayı başardı. Zhang, “Sadece dokuz karbon atomu genişliğinde olan bir grafen nanoribonun genişliği 1 nanometre kadar azdır” dedi. Sadece tek bir nanoribonun temas etmesini sağlamak için araştırmacılar benzer boyutta elektrotlar olan çapı sadece 1 nanometre olan karbon nanotüpler kullandılar.

Böylesine hassas bir deney için hassasiyet çok önemlidir. Her şey kaynak malzemelerle başlıyor. Araştırmacılar grafen nanoribonları, Roman Fasel başkanlığındaki Empa’nın nanoteknolojik yüzeyler laboratuvarı ile güçlü ve uzun süredir devam eden bir işbirliği yoluyla elde ettiler. Perrin, “Roman Fasel ve ekibi uzun süredir grafen nanoribonlar üzerinde çalışıyor ve tek tek öncü moleküllerden atomik hassasiyetle birçok farklı türü sentezleyebiliyorlar” diye açıkladı. Öncü moleküller Mainz’daki Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü’nden geldi.

En güncel teknolojiyi geliştirmek için genellikle gerekli olduğu üzere, multidisipliner bir kilit öneme sahiptir ve her biri uzmanlık alanını ortaya koyan farklı uluslararası araştırma grupları çalışmaya dahil olmuştur. Karbon nanotüpler Pekin Üniversitesindeki bir araştırma grubu tarafından üretildi ve Empa araştırmacıları çalışmanın sonuçlarını yorumlamak için Warwick Üniversitesindeki hesaplama bilimcileri ile işbirliği yaptı. Zhang, “Böyle bir proje işbirliği olmadan mümkün olamazdı,” diye vurguluyor.

Tek tek ribonların nanotüplerle temas ettirilmesi araştırmacılar için önemli bir zorluk teşkil etti. Zhang, “Karbon nanotüpler ve grafen nanoribonlar ayrı alt tabakalar üzerinde büyütülüyor” diye açıkladı. “İlk olarak, nanotüplerin aygıtın alt tabakasına aktarılması ve metal elektrotlarla temas ettirilmesi gerekiyor. Daha sonra bunları iki elektrota ayırmak için yüksek çözünürlüklü elektron ışını litografisi ile kesiyoruz.” Son olarak, şeritler aynı alt tabaka üzerine aktarılıyor. Hassasiyet çok önemli: Alt tabakaların en ufak bir şekilde dönmesi bile başarılı temas olasılığını önemli ölçüde azaltabilir.

Bilgisayarlardan Enerji Konvertörlerine

Bilim insanları deneylerinin başarısını yük transferi ölçümleriyle doğruladılar. Perrin, “Kuantum etkileri genellikle düşük sıcaklıkta daha belirgin olduğundan, ölçümleri yüksek bir vakumda mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda gerçekleştirdik” diye açıkladı. Ancak grafen nanoribonların özellikle umut verici bir başka özelliğini de eklemekten geri kalmıyor: “Bu nanoribonların son derece küçük boyutları nedeniyle, kuantum etkilerinin oda sıcaklığında bile gözlemlenebilecek kadar sağlam olmasını bekliyoruz.” Araştırmacı, bunun, ayrıntılı bir soğutma altyapısına ihtiyaç duymadan kuantum etkilerinden aktif olarak yararlanan çipler tasarlamamıza ve çalıştırmamıza olanak sağlayabileceğini söylüyor.

Projede ortak olarak çalışan Warwick Üniversitesi profesörlerinden Hatef Sadeghi, “Bu proje, sadece elektronların ve fononların nano ölçekte nasıl davrandığı gibi temel kuantum etkilerini incelemek için değil, aynı zamanda kuantum anahtarlama, kuantum algılama ve kuantum enerji dönüşümü uygulamaları için bu tür etkilerden yararlanmak için tek nanoribbon cihazların gerçekleştirilmesini sağlıyor” diye ekledi.

Grafen nanoribonlar henüz ticari uygulamalar için hazır değil ve daha yapılması gereken çok araştırma var. Bir sonraki çalışmada Zhang ve Perrin, tek bir nanoribon üzerinde farklı kuantum durumlarını manipüle etmeyi amaçlıyor. Buna ek olarak, çift kuantum noktası olarak adlandırılan, seri olarak bağlanmış iki ribona dayalı cihazlar geliştirmeyi planlıyorlar. Böyle bir devre, bir kuantum bilgisayarındaki en küçük bilgi birimi olan bir kübit olarak hizmet edebilir.

Ayrıca Perrin, nanoribonların yüksek verimli enerji dönüştürücüleri olarak kullanımını araştırmayı planlıyor. ETH Zürih’teki açılış dersinde, ısı olarak neredeyse hiç enerji kaybetmezken, sıcaklık farkından elektrik elde edebileceğimiz bir dünyanın resmini çiziyor – bu gerçekten de gerçek bir kuantum sıçraması olacaktır.^[1]Carbon-based quantum technology

[cite]