تحمل التكنولوجيا الكمومية وعدًا كبيرًا، لكنها أيضًا محفوفة بالتعقيد. من المتوقع أن تجلب التكنولوجيا الكمومية سلسلة من التطورات التكنولوجية على مدى العقود القليلة المقبلة، مما يمنحنا أجهزة استشعار أكثر إحكاما وأكثر دقة، وشبكات اتصالات أكثر قوة وأكثر أمانا، وأجهزة كمبيوتر ذات سعة أكبر. وسوف تتجاوز هذه التطورات قدرات تكنولوجيات الحوسبة الحالية، مما يساعد على تطوير أدوية ومواد جديدة بسرعة، والسيطرة على الأسواق المالية، وتعزيز التنبؤات الجوية.
ولتحقيق هذه المزايا، نحتاج إلى ما يسمى بالمواد الكمومية، والتي تعرض تأثيرات فيزيائية كمومية كبيرة. الجرافين هو أحد هذه المواد. يتمتع هذا الشكل الهيكلي ثنائي الأبعاد للكربون بخصائص فيزيائية غير عادية، مثل قوة الشد العالية للغاية، والتوصيل الحراري والكهربائي، وبعض التأثيرات الكمية. إن المزيد من حصر هذه المادة ثنائية الأبعاد بالفعل، مثل إعطائها شكلًا يشبه الشريط، ينتج عنه مجموعة من التأثيرات الكمومية التي يمكن التحكم فيها.
هذا هو بالضبط ما يستغله فريق ميكائيل بيرين في عملهم: لعدة سنوات، كان العلماء في مختبر إمبا للنقل النانوي البيني، بقيادة ميشيل كالام، يجرون أبحاثًا على شرائط الجرافين النانوية. يوضح بيرين: "إن شرائط الجرافين النانوية أكثر روعة من الجرافين نفسه". "من خلال تغيير طول وعرض شرائط الجرافين النانوية، وشكل حوافها، وإضافة ذرات أخرى، يمكنك منحها مجموعة متنوعة من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية."
دقيقة للغاية - وصولاً إلى ذرة واحدة
إن دراسة الأشرطة النانوية الواعدة ليست بالمهمة السهلة. كلما كان الشريط النانوي أضيق، كانت خصائصه الكمومية أكثر وضوحًا، ولكن من الصعب أيضًا الحصول على شرائط نانوية فردية في نفس الوقت. وهذا ضروري لفهم الخصائص الفريدة والتطبيقات المحتملة لهذه المادة الكمومية وتمييزها عن التأثيرات الجماعية.
في دراسة جديدة نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Electronics، نجح باحث بيرين وإمبا جيان تشانغ، جنبًا إلى جنب مع فريق دولي، في الوصول بنجاح إلى شرائط جرافين نانوية طويلة ودقيقة ذريًا لأول مرة. قال تشانغ جيان: "يبلغ عرض شرائط الجرافين النانوية، التي يبلغ عرضها 9 ذرات كربون فقط، 1 نانومتر فقط. ولضمان ملامسة شريط نانوي واحد فقط، استخدم الباحثون أقطابًا كهربائية ذات حجم مماثل: كان قطر أنابيب الكربون النانوية التي استخدموها أيضًا 1 نانومتر فقط."
لمثل هذه التجربة المعقدة، الدقة هي المفتاح. الأول هو المادة المصدر. حصل الباحثون على شرائط الجرافين النانوية من خلال تعاون طويل الأمد ووثيق مع مختبر Empa's nanotech@Surfaces بقيادة رومان فاسيل. يوضح بيرين: "لقد عمل رومان فاسيل وفريقه منذ فترة طويلة على شرائط الجرافين النانوية، ويمكنهم تصنيع العديد من الأنواع المختلفة من شرائط الجرافين النانوية بدقة ذرية من جزيء أولي واحد". جاءت الجزيئات الأولية من معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات في ماينز.
كما هو مطلوب في كثير من الأحيان لدفع التقدم التكنولوجي، فإن تعدد التخصصات هو المفتاح، وتشارك مجموعات بحثية دولية مختلفة، كل منها يجلب خبرته الخاصة: تم زراعة أنابيب الكربون النانوية من قبل مجموعة بحثية في جامعة بكين، ولتفسير النتائج، تعاون باحثو إمبا مع علماء الحساب في جامعة وارويك.
إن ملامسة شرائح الكربون الفردية بالأنابيب النانوية يشكل تحديًا كبيرًا للباحثين. وأوضح تشانغ: "تتم زراعة الأنابيب النانوية الكربونية وأشرطة الجرافين النانوية على ركائز مختلفة على التوالي". "أولاً، يجب نقل الأنابيب النانوية إلى ركيزة الجهاز وتلامسها مع أقطاب كهربائية معدنية. وبعد ذلك، قمنا بتقطيعها باستخدام الطباعة الحجرية ذات شعاع الإلكترون عالية الدقة لفصلها إلى قطبين كهربائيين. وأخيرًا، قمنا بتقطيع الأنابيب النانوية إلى قطبين كهربائيين." يتم نقل الأشرطة إلى نفس الركيزة. الدقة هي المفتاح: حتى أدنى دوران للركيزة يقلل بشكل كبير من احتمالية الاتصال الناجح. يعد الوصول إلى البنية التحتية عالية الجودة في مركز أبحاث IBM Binnig and Rocher في Lüschlikon أمرًا بالغ الأهمية لاختبار هذه التكنولوجيا وتنفيذها."
من أجهزة الكمبيوتر إلى محولات الطاقة
وأكد العلماء نجاح التجربة من خلال قياسات نقل الشحنة. نظرًا لأن التأثيرات الكمومية عادة ما تكون أكثر وضوحًا عند درجات الحرارة المنخفضة، فقد أجرينا قياسات في بيئة عالية الفراغ قريبة من الصفر المطلق. لكنه يضيف بسرعة خاصية أخرى واعدة بشكل خاص لأشرطة الجرافين النانوية: "نظرًا للحجم الصغير جدًا لهذه الأشرطة النانوية، نتوقع أن تكون تأثيراتها الكمية قوية جدًا ويمكن ملاحظتها حتى في درجة حرارة الغرفة". ويقول الباحث إن هذا سيسمح لنا بتصميم وتشغيل شرائح تستغل التأثيرات الكمومية بشكل فعال دون الحاجة إلى بنية تحتية معقدة للتبريد.
وأضاف البروفيسور هاتف صادقي من جامعة وارويك، المشارك في المشروع: "يتيح هذا المشروع إنشاء جهاز نانوريبون واحد، والذي لا يسمح فقط بدراسة التأثيرات الكمومية الأساسية، مثل كيفية تصرف الإلكترونات والفونونات على المقياس النانوي، ولكن يمكنه أيضًا استغلال هذا التأثير لتطبيقات في التبديل الكمي والاستشعار الكمي وتحويل الطاقة الكمومية."
شرائط الجرافين النانوية ليست جاهزة بعد للتطبيقات التجارية، ولا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين القيام بها. في أبحاث المتابعة، يهدف تشانغ وبيرين إلى معالجة الحالات الكمومية المختلفة على شريط نانوي واحد. بالإضافة إلى ذلك، يخططون لإنشاء أجهزة تعتمد على شريطين نانيين متصلين على التوالي، لتشكل ما يسمى بالنقاط الكمومية المزدوجة. يمكن لمثل هذه الدوائر أن تكون بمثابة الكيوبتات، وهي أصغر وحدات المعلومات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. بالإضافة إلى ذلك، حصل بيرين مؤخرًا على منحة البدء من مجلس الأبحاث الأوروبي (ERC) وزمالة Sccellenza الاحترافية من مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF)، حيث يخطط لاستخدام أشرطة النانو كمحولات فعالة للطاقة. وفي محاضرته الافتتاحية في المعهد التقني الفدرالي العالي في زيوريخ، تصور عالما حيث يمكننا استغلال الاختلافات في درجات الحرارة لتوليد الكهرباء في حين لا نفقد أي طاقة حرارية تقريبا - وهي نقلة نوعية حقيقية.
التعاون الدولي
قدمت العديد من المجموعات البحثية مساهمات مهمة للمشروع. تمت زراعة شرائط الجرافين النانوية بواسطة مختبر Empa Nanotechnology@Surface، بقيادة رومان فاسيل، من جزيئات أولية قدمتها مجموعة كلاوس مولن في معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات في ماينز.
تم دمج هذه الأشرطة النانوية في أجهزة التصنيع النانوية من قبل أعضاء مختبر إمبا للنقل بين الأسطح النانوية، بقيادة ميشيل كالام، الذي ضم أيضًا مجموعة أبحاث ميكائيل بيرين. تم توفير الأنابيب النانوية الكربونية عالية الجودة والمرتبة بدقة والمطلوبة لهذه الدراسة بالذات من قبل مجموعة أبحاث تشانغ جين في جامعة بكين. أخيرًا، لتفسير النتائج، تعاون باحثو إمبا مع علماء حسابيين في جامعة وارويك، تحت إشراف هاتف صادقي.