2D-Kohlenstoff: Quantensprung mit Graphen-Nanobändern möglich

Sie ist vielversprechend, aber auch verblüffend und verwirrend: die Quantentechnologie. Und sie soll in den nächsten Jahrzehnten zu technologischen Durchbrüchen führen wie kleinere und präzisere Sensoren, hochsichere Kommunikationsnetzwerke und leistungsstarke Computer.

Dafür braucht man vor allem sogenannte Quantenmaterialien: Stoffe, die ausgeprägte quantenphysikalische Effekte zeigen. Eines davon ist Graphen. Diese zweidimensionale Strukturform des Kohlenstoffs kombiniert eine Vielzahl interessanter physikalischer Eigenschaften, beispielsweise eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit sowie Wärme- und Stromleitfähigkeit. Schränkt man das ohnehin zweidimensionale Material räumlich weiter ein, etwa zu einem schmalen Band, entstehen kontrollierbare Quanteneffekte.

Graphen: Tausendsassa physikalischer Eigenschaften

Genau dies macht sich das Team um Mickael Perrin und Michel Calame von der Universität Basel zunutze: An der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) forschen sie an sogenannten Graphen-Nanobändern.

„Nanobänder aus Graphen sind noch faszinierender als Graphen selbst“, erklärt Perrin. „Indem man ihre Länge und Breite sowie die Form ihrer Ränder variiert und sie mit anderen Atomen versetzt, kann man ihnen alle erdenklichen elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften verleihen.“

Die Forschung an den vielversprechenden Bändchen gestaltet sich nicht immer einfach. Je schmaler das Band, desto deutlicher sind seine Quanteneigenschaften – aber desto schwieriger wird es auch, ein einzelnes Band anzusteuern. Genau das ist jedoch unabdingbar, um die Besonderheiten und möglichen Anwendungen dieses Quantenmaterials im Detail zu verstehen.

Verändert man Form und Ränder von Graphen-Nanobändern, verändern sich auch ihre Eigenschaften. Foto: Empa

Echte Präzisionsarbeit – aufs Atom genau

In einer Mitte August in der Zeitschrift „Nature Electronics“ veröffentlichten Studie beschreiben Perrin et al., wie sie einzelne lange, atomar genaue Graphen-Nanobänder elektrisch leitend kontaktierten.

„Ein Graphen-Nanoband, das nur neun Kohlenstoffatome breit ist, misst gerade einmal einen Nanometer in der Breite“, erklärt Perrins Kollege Jian Zhang von der Empa. Entsprechend kleine Elektroden mussten sie verwenden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von ebenfalls nur einem Nanometer. Die Ausgangsmoleküle kamen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz.

Trotz Zusammenarbeit mit internationalen Forschungsgruppen, jede mit ihrem eigenen Spezialgebiet, sei es eine große Herausforderung gewesen, die einzelnen Bänder mit den Nanoröhrchen zu verbinden. Schon die kleinste Drehung der Trägermaterialien könne einen erfolgreichen Kontakt verhindern. Den Erfolg bestätigten die Wissenschaftler schließlich durch Messungen von Ladungstransport – der elektrische Kontakt war hergestellt.

Quantentechnik bei Zimmertemperatur

„Dieses Projekt ermöglicht die Realisierung einzelner Nanobänder nicht nur zur Untersuchung grundlegender Quanteneffekte wie dem Verhalten von Elektronen und Phononen im Nanobereich, sondern auch zur Nutzung solcher Effekte für Anwendungen in den Bereichen Quantenschaltung, Quantensensorik und Quantenenergieumwandlung“, sagte Hatef Sadeghi von der Universität Warwick.

„Quanteneffekte sind bei tiefen Temperaturen in der Regel deutlicher, deshalb haben wir die Messungen bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt im Hochvakuum durchgeführt“, ergänzte Perrin. „Dank ihrer extrem kleinen Größe sind ihre Quanteneigenschaften sehr robust. Wir erwarten, dass sie sogar bei Raumtemperatur noch nachweisbar sind.“ Dies, so der Forscher, könnte es erlauben, Quantentechnologien zu entwickeln, die ohne aufwendige Kühlinfrastruktur auskommen.

Der Weg bis dahin ist indes noch weit, denn noch sind Graphen-Nanobänder nicht bereit für kommerzielle Anwendungen. In Folgestudien wollen Perrin und Zhang unterschiedliche Quantenzustände auf einem einzelnen Band kontrollieren sowie zwei Nanobänder zu einem sogenannten doppelten Quantenpunkt verbinden. Eine solche Schaltung könnte als Qubit dienen – die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers.

Außerdem will Perrin die Nutzung von Nanobändern als hocheffiziente Energiewandler erforschen. In seiner Antrittsvorlesung an der ETH Zürich zeichnet er das Bild einer Welt, in der wir Strom aus Temperaturunterschieden gewinnen und kaum noch Energie als Wärme verlieren. Das wäre in der Tat ein echter Quantensprung.

Indem Länge und Breite sowie Form der Ränder von Graphen-Nanobändern verändert werden, erhalten diese „alle erdenklichen elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften“. Foto: Empa

(Mit Material der Empa)