Grafeen staat bekend om z’n speciale elektrische eigenschappen, maar het onderzoek aan de koolstoflaagjes van slechts 1 molecuul dik richt zich nu ook op het mechanische gedrag.
Dankzij het extreem lage gewicht van grafeen kunnen wetenschappers kleine stukjes gebruiken als ware het een vel van een trommel. Wetenschappers gebruiken microgolfstraling om de trommel te bespelen, om naar het resulterende ‘geluid’ te luisteren en om te onderzoeken hoe de grafeenlaag precies beweegt.
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 grafeen volgen met een nauwkeurigheid van 17 femtometer – bijna 1/10.000ste van de diameter van een atoom”, vertelt Singh.
Animatie van hoe fotonen worden geleid en uiteindelijk trommel aanslaan.
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 lage massa van grafeen en de hoge meetnauwkeurigheid lukte het 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 door de mechanische beweging van de grafeentrommel.
Quantumgeheugen
De wetenschappers laten in de publicatie in Nature Nanotechnology ook zien hoe deze trommeltjes als geheugenchips voor fotonen kunnen dienen, 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.
Bron:
- Singh V. et al., Optomechanical coupling between a multilayer graphene mechanical resonator and a superconducting microwave cavity, Nature Nanotechnology (24 augustus 2014), DOI:10.1038/nnano.2014.168