È promettente, ma anche perplesso e confuso: si prevede che nei prossimi decenni la tecnologia quantistica ci fornirà scoperte tecnologiche, come sensori più piccoli e più precisi, reti di comunicazione altamente sicure e computer potenti che potranno aiutare a sviluppare nuovi farmaci e materiali, a controllare i mercati finanziari e a prevedere il tempo atmosferico nel più breve tempo possibile.
Per questo, abbiamo bisogno dei cosiddetti materiali quantistici: sostanze che presentano effetti fisici quantistici pronunciati. Uno di questi è il grafene. Questa forma strutturale bidimensionale del carbonio ha proprietà fisiche insolite, come una resistenza alla trazione e una conducibilità termica ed elettrica straordinariamente elevate. Se si limita il materiale già bidimensionale in modo ancora più spaziale, ad esempio a una banda stretta, si ottengono effetti quantistici controllabili.
Questo è esattamente ciò che sta sfruttando il team di Mickael Perrin: Nel laboratorio Empa “Transport at Nanoscale Interfaces”, diretto da Michel Calame, gli scienziati del team di Perrin stanno ricercando nanoribbons di grafene. “I nanoribbon di grafene sono ancora più affascinanti del grafene stesso”, spiega Perrin. “Variando la loro lunghezza e larghezza, così come la forma dei loro bordi, e aggiungendovi altri atomi, è possibile conferire loro ogni tipo di proprietà elettrica, magnetica e ottica”
Unvero lavoro di precisione – fino all’atomo
La ricerca sui promettenti nastri non è sempre facile. Più stretta è la banda, più chiare sono le sue proprietà quantistiche – ma più difficile è controllare una singola banda. Ma questo è proprio ciò che serve per comprendere nel dettaglio le caratteristiche speciali e le possibili applicazioni di questo materiale quantistico.
In un nuovo studio recentemente pubblicato sulla rivista Nature Electronics, Perrin, Jian Zhang e il loro team sono riusciti per la prima volta a creare un contatto elettrico conduttivo con singoli nanoribbons di grafene lunghi e di precisione atomica. Non è un compito banale: “Un nanoribbon di grafene largo solo nove atomi di carbonio misura appena un nanometro di larghezza”, afferma Zhang. Per contattare i singoli nastri, i ricercatori hanno utilizzato elettrodi altrettanto piccoli: nanotubi di carbonio con un diametro di appena un nanometro.
La precisione indispensabile per un esperimento di questo tipo inizia già con i materiali di partenza. I ricercatori hanno ottenuto i nanoribbons di grafene dal laboratorio “nanotech@surfaces” dell’Empa, sotto la direzione di Roman Fasel, con cui collaborano da tempo. “Roman Fasel e il suo team lavorano da molto tempo sui nanoribbons di grafene e sono in grado di sintetizzarne molti tipi diversi con precisione atomica da singole molecole di partenza”, spiega Perrin. Le molecole di partenza provengono dal Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz.
Se si vuole far progredire lo stato dell’arte, l’interdisciplinarità è fondamentale. Così, nello studio sono stati coinvolti diversi gruppi di ricerca internazionali, ognuno con la propria area di competenza: i nanotubi di carbonio sono stati prodotti da un gruppo di ricerca dell’Università di Pechino, mentre gli scienziati dell’Empa hanno collaborato con i ricercatori dell’Università di Warwick per interpretare i risultati. “Un progetto come questo non sarebbe possibile senza la cooperazione”, sottolinea Zhang.
Il contatto dei singoli nastri con i nanotubi ha rappresentato una sfida per i ricercatori. “I nanotubi di carbonio e i nanoribbons di grafene sono cresciuti su substrati separati”, spiega Zhang. “Per prima cosa, i tubi devono essere trasferiti sul substrato sperimentale e contattati con elettrodi metallici. Poi li tagliamo usando la litografia a fascio elettronico ad alta risoluzione per separarli in due elettrodi ciascuno” Infine, i nastri vengono trasferiti sullo stesso substrato. La precisione è essenziale in questo caso: Anche la minima rotazione dei substrati può impedire il successo del contatto. “L’accesso a un’infrastruttura di alta qualità presso il “Binnig and Roher Nanotechnology Center” del centro di ricerca IBM di Rüschlikon è stato fondamentale per testare e implementare questa tecnologia”, afferma Perrin.
Sogni del futuro
Gli scienziati hanno confermato il successo misurando il trasporto di carica. “Gli effetti quantistici sono solitamente più pronunciati a basse temperature, per questo abbiamo effettuato le misurazioni a temperature vicine allo zero assoluto in un vuoto spinto”, spiega Perrin, menzionando anche una proprietà particolarmente promettente dei nanoribbons di grafene: “Grazie alle loro dimensioni estremamente ridotte, le loro proprietà quantistiche sono molto robuste. Ci aspettiamo che siano ancora rilevabili anche a temperatura ambiente” Secondo il ricercatore, questo potrebbe permetterci di sviluppare tecnologie quantistiche che non richiedono un’elaborata infrastruttura di raffreddamento.
