Kuantum teknolojisi, umut vaat edici olmasının yanı sıra karmaşıktır. Gelecek on yıl boyunca, bu teknolojinin çeşitli teknolojik atılımlara öncülük etmesi bekleniyor: daha küçük ve daha hassas sensörler, yüksek güvenli iletişim ağları ve ilaçlar ile malzemelerin geliştirilmesine yardımcı olabilecek güçlü bilgisayarlar gibi. Ayrıca finansal piyasaları kontrol etmek ve hava durumunu tahmin etmek gibi işlevlerde de şu anki bilgisayar teknolojisinin çok ötesinde katkılar sağlaması bekleniyor.
Bu hedefe ulaşmak için, “kuantum malzemeleri” olarak adlandırılan, belirgin kuantum fiziksel etkilere sahip maddelere ihtiyaç duyulur. Grafen bu malzemelerden biridir. Karbonun iki boyutlu bir yapısal şekli olan grafen, olağanüstü yüksek çekme mukavemeti, termal ve elektriksel iletkenlik gibi sıradışı fiziksel özelliklere sahiptir. Aynı zamanda belirli kuantum etkilerine de sahiptir.
Bu zaten iki boyutlu olan grafeni daha da dar bir şerit şekline getirerek, çeşitli kontrol edilebilir kuantum etkileri elde edilebilir. İsviçre Federal Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Laboratuvarı’ndaki (EMPA) Nanometre Ölçeğinde Arabirimlerde Taşıma laboratuvarındaki Mickael Perrin ve ekibi, birkaç yıldır bu grafen nanokemerleri üzerine araştırmalar yürütmektedir.
Perrin, “Grafen nanokemerler, grafenden bile daha büyüleyicidir” diyor ve ekliyor: “Uzunluk ve genişliklerini, kenarlarının şeklini değiştirerek ve üzerine diğer atomlar ekleyerek, çeşitli elektriksel, manyetik ve optik özelliklere sahip olmalarını sağlayabilirsiniz.”
Ancak umut vaat eden bu şeritler üzerinde yapılan araştırma hiç de kolay değil. Şerit ne kadar dar olursa, kuantum özellikleri o kadar belirgin hale gelir. Ancak bu durum, tek bir şeride erişimi zorlaştırır. Bu da, bu kuantum malzemesinin benzersiz özelliklerini ve olası uygulamalarını anlamak için gerekli olan bir durumdur.
Perrin ve EMPA araştırmacısı Jian Zhang, uluslararası bir ekip ile birlikte, ilk kez bireysel grafen nanokemerlerine ulaşmayı başardılar. Bu başarılarını Nature Electronics dergisinde yayınladıkları bir makalede duyurdular.
Zhang, “Sadece dokuz karbon atom genişliğinde bir grafen nanokemeri, yalnızca 1 nm genişliğinde olabiliyor” diyor. Araştırmacılar, sadece tek bir nanokemer ile iletişim kurulmasını sağlamak için, yine 1 nm çapında olan karbon nanotüplerini elektrot olarak kullandılar.
Grafen nanokemerlerini elde etmek için araştırmacılar, Empa’nın nanotech@surfaces laboratuvarı ile güçlü ve uzun süren bir işbirliği yoluyla çalıştılar. Roman Fasel tarafından başkanlık edilen bu laboratuvar, öncü moleküllerden atomik hassasiyetle çeşitli grafen nanokemerleri sentezleyebiliyor. Bu öncü moleküller Almanya’nın Mainz kentindeki Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü’nden temin edilmiştir.
Teknolojinin ilerlemesi için, disiplinlerarası yaklaşım kritik bir rol oynamıştır. Farklı uluslararası araştırma grupları, kendi uzmanlık alanlarına odaklanarak işbirliği yapmıştır. Karbon nanotüpleri, Çin’deki Pekin Üniversitesi’ndeki bir araştırma grubu tarafından üretilmiştir. Yine İngiltere’deki Warwick Üniversitesi’ndeki hesaplama bilimcileri ise çalışmanın sonuçlarını yorumlamak için Empa araştırmacıları ile bir araya gelmiştir. Zhang, “Bu tür bir proje işbirliği olmadan mümkün olmazdı” diyor.
Ancak nanotüplerle bireysel şeritlere iletişim kurmak, araştırmacılar için büyük bir zorluk olmuştur. Zhang şunları söylüyor: “Karbon nanotüpleri ve grafen nanokemerleri ayrı alt tabakalarda büyüyor. Önce nanotüpler, cihaz alt tabakasına transfer edilmeli ve metal elektrotlarla iletişime geçmelidir. Sonra yüksek çözünürlüklü elektron ışını litografi kullanılarak iki elektroda ayrılmalıdır.”
Sonunda, şeritler aynı alt tabakaya transfer edilir. Bu transfer sırasında hassasiyet çok önemlidir, çünkü alt tabakaların en küçük bir dönmesi bile iletişim başarısını önemli ölçüde azaltabilir. Perrin, “IBM Research Rüschlikon’daki Binnig ve Roher Nanoteknoloji Merkezi’nde yüksek kaliteli altyapıya erişim sağlamak, bu teknolojiyi test etmek ve uygulamak için hayati önem taşıyordu” diyor.
Bilim insanları deneylerinin başarısını, şarj taşıma ölçümleri ile doğruladılar. Perrin bu konuda, “Kuantum etkileri genellikle düşük sıcaklıklarda daha belirgindir, bu nedenle ölçümleri mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda yüksek vakum altında gerçekleştirdik” diyor.
Ancak Perrin, grafen nanokemerlerin bir başka umut vadeden özelliğini daha ekliyor: “Bu nanokemerlerin son derece küçük boyutları nedeniyle, kuantum etkilerinin o kadar güçlü olması bekleniyor ki, bu etkiler oda sıcaklığında bile gözlemlenebilir olabilir.” Bu durum, Perrin ve ekibinin karmaşık bir soğutma altyapısı gerektirmeksizin kuantum etkilerini aktif olarak kullanabilen yongalar tasarlamalarına ve işletmelerine olanak tanıyabilir.
Warwick Üniversitesi’nden bir profesör olan Hatef Sadeghi, “Bu proje, temel kuantum etkilerini incelemek kadar, elektronların ve fononların nanometre ölçeğinde nasıl davrandığını anlamak için bireysel nanokemer cihazlarının gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Aynı zamanda bu etkileri kuantum geçiş, kuantum algılama ve kuantum enerji dönüşümü uygulamaları için kullanmayı sağlamaktadır.”
Ancak grafen nanokemerler henüz ticari uygulamalar için tam olarak hazır değil ve halen yapılacak çok çalışma bulunuyor. Zhang ve Perrin, gelecekte farklı kuantum durumlarını aynı nanokemer üzerinde manipüle etmeyi amaçlayan bir çalışma yapmayı planlıyorlar. Aynı zamanda iki şeride bağlı bir devre oluşturarak, bir “çift kuantum noktası” oluşturmayı planlıyorlar. Bu tür bir devre, bir kuantum bilgisayarında en küçük bilgi birimi olan bir “kubit” olarak kullanılabilir.
Sonuç olarak, kuantum teknolojisinin geleceği oldukça parlak görünüyor ve grafen nanokemerler gibi malzemeler bu geleceğin inşasında önemli bir rol oynayabilir.
Yorumlar