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La prochaine génération de dispositifs quantiques avec l'utilisation de nanorubans de graphène – Actualités et revue des docteurs en naturopathie

Node Smith, ND

Une équipe internationale multi-institutionnelle de scientifiques a synthétisé des nanorubans de graphène – des bandes ultrafines d'atomes de carbone – sur une surface de dioxyde de titane en utilisant une méthode atomiquement précise qui supprime une barrière pour les nanostructures de carbone conçues sur mesure nécessaires aux sciences de l'information quantique.

Le graphène est composé de couches de carbone épaisses d'un seul atome qui revêtent des caractéristiques mécaniques ultralégères, conductrices et extrêmement fortes. Le matériau largement étudié promet de transformer l'électronique et la science de l'information en raison de ses propriétés électroniques, optiques et de transport hautement réglables.

Lorsqu'il est façonné en nanorubans, le graphène pourrait être appliqué dans des dispositifs à l'échelle nanométrique; cependant, le manque de précision à l’échelle atomique dans l’utilisation des méthodes de synthèse de pointe actuelles – découpage d’une feuille de graphène en bandes étroites d’atomes – entrave l’utilisation pratique du graphène.

Les chercheurs ont développé une approche «ascendante» – la construction du nanoribbon de graphène directement au niveau atomique de manière à ce qu'il puisse être utilisé dans des applications spécifiques, qui a été conçue et réalisée au Centre for Nanophase Materials Sciences, ou CNMS, situé au Laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Cette méthode de précision absolue a permis de conserver les propriétés prisées des monocouches de graphène à mesure que les segments de graphène deviennent de plus en plus petits. Une différence de largeur d'un ou deux atomes seulement peut changer radicalement les propriétés du système, transformant un ruban semi-conducteur en un ruban métallique. Les résultats de l’équipe ont été décrits dans Science.

Marek Kolmer, An-Ping Li et Wonhee Ko de l'ORNL du groupe de microscopie à tunnel à balayage du CNMS ont collaboré au projet avec des chercheurs d'Espeem, une société de recherche privée, et de plusieurs institutions européennes: Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Jagiellonian University et Martin Luther Université Halle-Wittenberg.

L’expertise unique d’ORNL en microscopie à effet tunnel a été essentielle au succès de l’équipe, tant pour la manipulation du matériau précurseur que pour la vérification des résultats.

"Ces microscopes vous permettent d'imager et de manipuler directement la matière à l'échelle atomique", a déclaré Kolmer, stagiaire postdoctoral et auteur principal de l'article. «La pointe de l'aiguille est si fine qu'elle a essentiellement la taille d'un seul atome. Le microscope se déplace ligne par ligne et mesure constamment l'interaction entre l'aiguille et la surface et donne une carte atomiquement précise de la structure de la surface.

Dans les expériences passées sur les nanorubans de graphène, le matériau a été synthétisé sur un substrat métallique, ce qui supprime inévitablement les propriétés électroniques des nanorubans.

«Faire fonctionner les propriétés électroniques de ces rubans comme prévu, c'est toute l'histoire. Du point de vue de l'application, l'utilisation d'un substrat métallique n'est pas utile car elle filtre les propriétés », a déclaré Kolmer. «C’est un grand défi dans ce domaine – comment découpler efficacement le réseau de molécules pour le transférer vers un transistor?»

L'approche de découplage actuelle consiste à retirer le système des conditions de vide ultra-poussé et à le soumettre à un processus de chimie humide en plusieurs étapes, qui nécessite de décaper le substrat métallique. Ce processus contredit la précision soignée et propre utilisée lors de la création du système.

Pour trouver un processus qui fonctionnerait sur un substrat non métallique, Kolmer a commencé à expérimenter avec des surfaces d'oxyde, imitant les stratégies utilisées sur le métal. Finalement, il s'est tourné vers un groupe de chimistes européens spécialisés dans la chimie des fluoroarènes et a commencé à se concentrer sur la conception d'un précurseur chimique qui permettrait la synthèse directement à la surface du dioxyde de titane rutile.

«La synthèse en surface nous permet de fabriquer des matériaux avec une très haute précision et pour y parvenir, nous avons commencé avec des précurseurs moléculaires», a déclaré Li, auteur principal de l'article qui a dirigé l'équipe du CNMS. «Les réactions dont nous avions besoin pour obtenir certaines propriétés sont essentiellement programmées dans le précurseur. Nous connaissons la température à laquelle une réaction se produira et en réglant les températures, nous pouvons contrôler la séquence des réactions. »

«Un autre avantage de la synthèse en surface est le large éventail de matériaux candidats qui peuvent être utilisés comme précurseurs, ce qui permet un haut niveau de programmabilité», a ajouté Li.

L'application précise de produits chimiques pour découpler le système a également contribué à maintenir une structure à coque ouverte, permettant aux chercheurs d'accéder au niveau de l'atome pour construire et étudier des molécules aux propriétés quantiques uniques. «Il était particulièrement gratifiant de constater que ces rubans de graphène avaient des états magnétiques couplés, également appelés états de spin quantique, à leurs extrémités», a déclaré Li. «Ces états nous fournissent une plate-forme pour étudier les interactions magnétiques, dans l'espoir de créer des qubits pour des applications en science de l'information quantique.» Comme les interactions magnétiques dans les matériaux moléculaires à base de carbone sont peu perturbées, cette méthode permet de programmer des états magnétiques de longue durée à partir de l'intérieur du matériau.

Leur approche crée un ruban de haute précision, découplé du substrat, ce qui est souhaitable pour les applications de science de l'information spintronique et quantique. Le système résultant est idéalement adapté pour être exploré et développé plus avant, éventuellement sous la forme d'un transistor nanométrique car il a une large bande interdite, à travers l'espace entre les états électroniques qui est nécessaire pour transmettre un signal marche / arrêt.

Kolmer a récemment rejoint le laboratoire Ames du DOE en tant que chercheur.

1. Marek Kolmer, Ann-Kristin Steiner, Irena Izydorczyk, Wonhee Ko, Mads Engelund, Marek Szymonski, An-Ping Li, Konstantin Amsharov. Synthèse rationnelle de nanorubans de graphène de précision atomique directement sur des surfaces d'oxyde métallique. Science, 2020; 369 (6503): 571 DOI: 10.1126 / science.abb8880

Node Smith, ND, est médecin naturopathe à Humboldt, Saskatchewan et rédacteur en chef adjoint et directeur de la formation continue pour NDNR. Sa mission est de servir des relations qui soutiennent le processus de transformation et qui mènent finalement à des personnes, des entreprises et des communautés en meilleure santé. Ses principaux outils thérapeutiques comprennent le conseil, l'homéopathie, l'alimentation et l'utilisation d'eau froide combinée à l'exercice. Node considère que la santé est le reflet des relations qu'une personne ou une entreprise entretient avec elle-même, avec Dieu et avec son entourage. Afin de guérir la maladie et de guérir, ces relations doivent être spécifiquement prises en compte. Node a travaillé en étroite collaboration avec de nombreux groupes et organisations au sein de la profession naturopathique et a aidé à fonder l'association à but non lucratif, Association for Naturopathic Revitalization (ANR), qui travaille à promouvoir et à faciliter l'éducation expérientielle au vitalisme.

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