Pada akhir Januari, EMPA membuka laboratorium baru yang bertujuan untuk memanfaatkan efek kuantum dari karbon. Ini dapat membuka jalan bagi teknologi kuantum berkelanjutan, termasuk komputer kuantum.
Teknologi kuantum yang aman, efisien, dan berkelanjutan berdasarkan karbon – ini adalah visi proyek karbo. Dengan dukungan dari Werner Siemens Foundation dan Swiss National Science Foundation (SNSF), para peneliti sedang menyelidiki efek kuantum dalam struktur nano karbon. Dalam tonggak pertama, laboratorium teknologi tinggi baru diresmikan di EMPA pada 30 Januari 2025.
Penelitian di lab baru ini berfokus terutama pada apa yang disebut nanografi dan nanoribbon graphene: potongan-potongan graphene bahan karbon dua dimensi yang hanya beberapa atom dalam ukuran. Molekul -molekul khusus ini disintesis hanya beberapa tahun yang lalu, banyak dari mereka di Laboratorium Nanotech@Surfaces EMPA. Strukturnya dapat didefinisikan secara tepat ke satu atom tunggal, memungkinkan pengenalan yang ditargetkan dari efek kuantum yang berbeda. Para peneliti ingin menggunakan nanografi tersebut untuk menghasilkan sensor baru, teknologi komunikasi atau komponen untuk komputer kuantum.
Untuk memahami dan mengimplementasikan ini adalah persis apa yang ditetapkan oleh peneliti EMPA di laboratorium karbo baru. Ini menempatkan mereka di garis depan sains. “Memindai mikroskop terowongan dengan resonansi spin elektron hanya digunakan untuk manipulasi putaran dalam sepuluh tahun terakhir, dan sebagian besar untuk atom individu,” kata Roman Fasel, co-head karbo dan kepala permukaan nanotech@. Untuk menerapkan teknologi baru ini pada nanografi untuk pertama kalinya, karbo telah berhasil merekrut salah satu dari sedikit ahli di dunia: peneliti Korea Selatan Yujeong Bae mengambil alih sebagai kepala kelompok penelitian EMPA baru untuk magnet kuantum. “Dengan menggabungkan teknologi gelombang mikro dengan pemindaian mikroskop tunneling, kami dapat mendeteksi dan mengendalikan keadaan superposisi putaran dengan cara yang koheren. Kontrol yang koheren ini adalah inti dari teknologi kuantum. Kami bertujuan untuk menunjukkan kontrol kuantum ini dalam nanografen untuk pertama kalinya,” jelas peneliti. Bekerja dengan bahan berbasis karbon menawarkan keuntungan yang menentukan: “Sementara atom individu hanya memiliki satu putaran, nanografen memungkinkan untuk membuat beberapa putaran terkait,” kata Bae. Membuat beberapa putaran “berbicara” satu sama lain adalah langkah yang menentukan dalam cara berfungsi teknologi kuantum – setelah semua, satu bit tidak membuat komputer. Ini masih membutuhkan dua mesin stainless steel besar di laboratorium, dengan ruang vakum yang sangat tinggi, medan magnet yang kuat dan tangki helium yang mendinginkannya hingga hampir mutlak nol. “Dalam jangka panjang, kami ingin memiliki perangkat berbasis kuantum yang bekerja di luar sistem teknologi tinggi ini, bahkan mungkin dalam kondisi sekitar, misalnya untuk efek optik,” kata Oliver Gröning, co-head karbo dan wakil kepala permukaan nanotech@. Namun, pertama -tama, para peneliti perlu memahami dan belajar mengendalikan efek kuantum. Oleh karena itu, tujuan pertama proyek ini adalah platform material, sejenis kotak alat, untuk penelitian tentang bahan kuantum berbasis karbon dan sifat-sifatnya. Dengan pembukaan lab baru, para peneliti telah datang lebih dekat dengan tujuan ini.
Di jantung lab carboquant baru adalah dua mikroskop tunneling pemindaian yang canggih. Memindai mikroskop terowongan – ditemukan di Swiss pada awal 1980 -an – menggunakan arus listrik dan fisika kuantum untuk membuat atom individu terlihat. Dengan perangkat baru, para peneliti tidak hanya dapat melihat molekul nanografi mereka, tetapi juga mengendalikan keadaan kuantum mereka. Radiasi gelombang mikro frekuensi tinggi memungkinkan untuk memanipulasi masing-masing yang disebut putaran-jenis magnet kuantum yang dimiliki oleh elektron dan partikel lain, dan yang juga dapat memanifestasikan dirinya dalam nanografi tertentu.
Spin dianggap sebagai sifat fisik yang sangat menjanjikan untuk komputasi kuantum dan teknologi lainnya. Dalam kasus yang paling sederhana, ia memiliki dua negara dasar, “atas” dan “turun” – mirip dengan bit komputer klasik, yang dapat berupa 1 atau 0. Perbedaan utamanya adalah bahwa efek kuantum memungkinkan kedua negara untuk ditumpangkan, sehingga putaran dapat mengasumsikan kombinasi “atas” dan “turun”. Ambiguitas inilah yang harus membuat komputer kuantum dan teknologi berbasis kuantum lainnya begitu kuat – jika kita berhasil memahami dan mengendalikannya.
Proyek Karbo EMPA berfokus pada pengembangan struktur nano berbasis karbon dengan efek kuantum yang dikontrol dengan tepat untuk digunakan dalam komponen elektronik yang beroperasi pada suhu kamar. Tujuannya adalah untuk membangun platform teknologi dan memperbaiki metode karakterisasi untuk memajukan pemahaman mendasar dan implementasi praktis dari bahan nano ini. Proyek Carboquant berlangsung dari tahun 2022 hingga 2032 dan didukung oleh Werner Siemens Foundation.
