Grafeentrommeltjes als toekomstig quantumgeheugen
Wetenschappers van het Kavli Instituut van de TU Delft en de Stichting FOM hebben extreem kleine trommeltjes van grafeen gemaakt, die ze kunnen 'aanslaan' met fotonen. Daarbij kunnen ze de beweging van het 'trommelvel' nauwkeurig meten. Dankzij hun bijzondere mechanische eigenschappen kunnen grafeentrommeltjes mogelijk gebruikt worden als sensoren, bijvoorbeeld in mobiele telefoons, of mogelijk ook als geheugenchips in toekomstige quantumcomputers. De wetenschappers publiceren hun resultaten deze week in Nature Nanotechnology. Het onderzoek is mogelijk gemaakt door FOM, NWO en het EU Marie-Curieprogramma.
Trommelvel
Grafeen staat bekend om z'n speciale elektrische eigenschappen, maar het onderzoek aan de koolstoflaagjes –slechts 1 molecuul dik- richt zich tegenwoordig ook op het mechanische gedrag. Dankzij het extreem lage gewicht van grafeen kunnen wetenschappers kleine stukjes gebruiken op een manier die vergelijkbaar is met het trommelvel van een drummer: wetenschappers gebruiken microgolfstraling om de trommel 'te bespelen', om naar het resulterende 'nano-geluid' te luisteren en om te onderzoeken hoe de grafeenlaag precies beweegt.
Optomechanica
Vibhor Singh en zijn collega's gebruikten grafeen als spiegel in een zogenaamde 'optomechanical cavity'. Optomechanica gebruikt interferentiepatronen om extreem kleine bewegingen van een object te kunnen waarnemen. "In dit experiment schoten we microgolffotonen naar het 4 micrometer grote grafeentrommeltje. Door te kijken naar de manier waarop het trommeltje de fotonen terugkaatst, kunnen we de bewegingen van het grafeentrommeltje volgen met een nauwkeurigheid van 17 femtometer- bijna 1/10.000ste van de diameter van een atoom", vertelt Singh.
Versterker
De onderzoekers gebruikten de microgolven niet alleen om de beweging van het trommelvel te meten maar ook om er kracht op uit te oefenen. De kracht van licht is extreem klein, maar door de extreem lage massa van grafeen en de hoge meetnauwkeurigheid konden de wetenschappers effectief met fotonen op de trommel 'slaan'. Met behulp van het momentum van de fotonen konden de wetenschappers een extreem kleine versterker creëren. Deze versterkt de microgolfsignalen, zoals ook bijvoorbeeld een telefoon gebruikt, door de mechanische beweging van de grafeentrommel.
Quantumgeheugen
De wetenschappers laten in de publicatie ook zien hoe deze trommeltjes gebruikt kunnen worden als 'geheugenchips' voor fotonen, door de fotonen om te zetten in mechanische trilling en die te bewaren tot 10 milliseconden. Voor een computerchip is dat een zeer lange tijd. "Een langetermijndoel van het onderzoek is om het quantumgedrag van grafeentrommeltjes te bestuderen. Als je met een stok op een gewoon drumstel slaat, zal het vel gaan trillen: het beweegt op of neer. Het vel van een quantumtrommel kan niet alleen op of neer bewegen, maar ook op en neer tegelijkertijd, in quantumsuperpositie", aldus Gary Steele, leider van de onderzoeksgroep. "Dit quantumgedrag is niet alleen wetenschappelijk interessant, het zou ook een praktische toepassing kunnen krijgen in de toekomstige quantumcomputer, als 'geheugenchip'."
In een quantumcomputer kunnen de bits 0 en 1 tegelijkertijd zijn, wat extreem sneller rekenwerk mogelijk maakt. Quantum grafeentrommeltjes die op en neer tegelijk kunnen bewegen, kunnen mogelijk gebruikt worden om een quantum rekenresultaat te bewaren, en later weer uit te lezen door naar het 'quantumgeluid' van het trommeltje te luisteren.
Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Gary Steele, 015 278 3402
http://steelelab.tudelft.nl/
Referentie
'Optomechanical coupling between a multilayer graphene mechanical resonator and a superconducting microwave cavity', Nature Nanotechnology 24 augustus 2014.
Of neem een kijkje op de website.
Animatie: https://www.youtube.com/watch?v=JMMfDfGqIfw& (vrij te gebruiken)