Ühe aatomikihi paksusest grafeenist lõigatud nanoriba elektrilisi omadusi võiks muuta üksnes selle servi häälestades. Uue teoreetilise töö järgi piisaks teatud ribades sellest, et muuta kogu riba jaoks olulist elektroonilist omadust: keelutsooni. Riba ennast ei peaks selleks kitsamaks lõikama. See võiks võimaldada kujundada ühe ja sama laiusega ribale erineva elektroonilise käitumisega lõike, muutes nende servi.

Kõige üllatavam pole siin isegi servade suur mõju, vaid see, mille üle nad mõju saavutavad. Jutt ei käi ainult serva lähedale koondunud elektronidest. Uuritud elektronseisundid ulatuvad üle riba, ent keelutsooni kujunemisel võivad määravaks saada just ääred. Põhjus peitub kvantmehaanilises tasakaalus: riba sisemuses kustutavad teatud mõjud üksteist, servades aga mitte.

Lin Wangi, Thomas Luu ja Ulf-G. Meißneri arXivis avaldatud käsikiri kirjeldab seda võimalust analüütiliste arvutuste ja arvuliste kontrollide abil. Tegemist ei ole laboris valmis tehtud seadmega ning käsikirja eelretsenseeritust ei ole siin kinnitatud.

Miks võib serv nii palju lugeda?

Grafeen on süsinikuaatomitest kärjemustriline võrk, mille paksus on vaid üks aatomikiht. Sellest saab kujundada imekitsaid nanoribasid. Selles mõõtkavas muutub tähtsaks ka see, millise mustriga aatomivõrk serval katkeb.

Üks nanoriba keskseid omadusi on elektrooniline keelutsoon: energiavahemik, milles elektronidele lubatud seisundeid ei ole. Selle suurus aitab määrata, kui hõlpsalt saavad elektronid elektrijuhtimises osaleda. Keelutsooni häälestamine on seetõttu üks võimalus muuta materjali elektrilist käitumist.

Servade mõju grafeenribale on teada ka varasematest töödest. Siinse töö keskmes on aga konkreetne mehhanism, mis annab servadele keelutsooni üle valdava mõju. Tuttav viis grafeenriba keelutsooni mõjutada on muuta riba laiust. Uues töös uuritud võimalus jätab laiuse puutumata. Selle asemel muudetakse mudelis seda, kui tugevalt on serva aatomid elektrooniliselt sidestatud ehk kui hõlpsasti saavad elektronid nende vahel liikuda. Füüsikud kirjeldavad sellist liikumist elektronide hüpetena.

Nii nihkub tähelepanu küsimuselt „kui kitsas peab riba olema?” küsimusele „millised peavad olema selle servad?”.

Sisemuses mõjud tasakaalustuvad

Tulemus ei kehti suvalise grafeenriba kohta. Autorid uurisid niinimetatud tugitoolservaga ribade üht kindlat laiuste perekonda. Selle laiuseindeksid on 2, 5, 8, 11 ja nii edasi: iga järgmine erineb eelmisest kolme võrra. Need arvud kirjeldavad aatomivõrgu laiust, mitte nanomeetrite hulka.

Just selle perekonna olulistel elektronseisunditel on korrapärane kvantlaine muster, mis võimaldab ebatavalist tasakaalu. Teatud pikema ulatusega elektronihüpete panused keelutsooni tühistavad riba sisemuses üksteist: piki riba ja risti ribaga toimuvate hüpete mõjud annavad kokku nulli.

Olukord meenutab kaht võrdset vastassuunalist tõmmet: mõlemad on olemas, kuid nende summa on null. Servades sama tühistumist ei teki ning sealsete hüpete mõju jääb alles. Nii saavad ääred keelutsooni kujunemisel peamise sõnaõiguse.

Autorid kontrollisid ka teiste hüpete ja elektronide vastastikmõju rolli. Uuritud parameetrite korral olid neist tulenevad keelutsooni panused servade omast vähemalt kümme korda väiksemad. Töös kasutatud väljend „täielik servakontroll” ei tähenda seega kõigi muude mõjude kadumist, vaid servade selget ülekaalu käsitletud olukorras. Elektronide vastastikmõju uuriti seejuures lähendusarvutusega, mitte kõigis võimalikes tugevusvahemikes.

Sama lai riba, erineva käitumisega lõigud

Servade häälestamise võimalus ei piirdu arvutustes üksnes keelutsooni suurusega. Autorite järgi saab sobivate sümmeetriatega mudelis nii muuta ka riba topoloogilist faasi ehk elektronseisundite teatavat üldist korraldust.

Selle mõtte kõige kõnekam tagajärg ilmneb siis, kui kujutleda ühte ühtlase laiusega riba, mille eri lõikudes on servad häälestatud erinevalt. Arvutuste järgi võivad need lõigud kuuluda erinevatesse topoloogilistesse faasidesse ning nende ühenduskohta võib koonduda elektronseisund. Riba ei muutu seal kitsamaks ega laiemaks, kuid selle elektroonilisse struktuuri tekib eriline koht.

See pakub võimaluse kavandada aatomiskaalal struktuure, kus soovitud elektroonilised piirkonnad luuakse servade kaudu. Töös mainitakse ka võimalikke kvantseadmeid ja kvantbitte, kuid need on praegu rakendusideed, mitte näidatud tehnoloogilised tulemused.

Päris materjalis tuleb alles näidata, kui täpselt õnnestub vajalikke servastruktuure valmistada ja juhtida. Sellest sõltub, kas teoreetilisest võimalusest saab praktiline tööriist. Arvutuste ahvatlev sõnum on aga selge: nanoriba sisemuse muutmiseks võib mõnikord piisata selle äärtest.

Artikkel valmis Yawni AI-agendi toimetamisel.