Forskere udvikler metode til fremstilling af individuelle magnetiske kvantepunkter

(Phys.org) —Kvantumprikker er halvlederkrystaller, der indeholder et par hundrede atomer begrænset til et så lille rum, at de betragtes som nul-dimensionelle objekter, ofte kaldet "kunstige atomer". Forskere har fremstillet kvanteprikker lavet af forskellige materialer og størrelser. Nu i en ny undersøgelse, forskere har demonstreret, hvordan man fremstiller individuelle magnetiske kvantepunkter med søjlediametre så lave som 250 nm, den mindste prik af denne type, der er rapporteret til dato.

Forskerne, ledet af Charles Gould, en postdoktor ved University of Würzburg, har offentliggjort deres undersøgelse om fremstilling af magnetiske kvantepunkter i et nyligt nummer af Nanoteknologi .

"Dette er ikke de første magnetiske kvantepunkter, da magnetiske kvanteprikker tidligere er blevet fremstillet ved teknikker som selvsamling, "Fortalte Gould Phys.org . "Disse tidligere teknikker giver en mulighed for at studere en samling af mange millioner kvantepunkter ad gangen, men tillade ikke undersøgelse af individuelle prikker. Som sådan, da alle prikker i samlingen er lidt forskellige, det er i det væsentlige umuligt at udtrække egenskaber ved de enkelte prikker. Vores metode, for første gang, tillader produktion og undersøgelse af et individuelt magnetisk kunstigt atom. "

Som forskerne forklarer, kvanteprikker har sædvanligvis en af ​​to geometrier:lateral (defineret af to porte ved siden af ​​hinanden) eller lodrette (dannet af en søjle i en kvantebrønd). Selvom det er uklart, hvordan man laver en lateral quantum dot magnetisk, en lodret prik kan teoretisk gøres magnetisk ved at doping kvantebrønden med mangan for at give den magnetiske egenskaber. Imidlertid, i virkeligheden står denne idé over for flere tekniske udfordringer, såsom behovet for dybe skyttegrave, en isolerende belægning på søjlen, og præcis justering af komponenterne.

I dette studie, forskerne har overvundet disse fabrikationsudfordringer ved at udvikle en proces i flere trin, der bruger elektronstråle litografi til at skære de dybe skyttegrave, omgiver søjlen med en isolerende låge, og definere de elektriske kontakter. Som Gould forklarede, at overvinde de tekniske udfordringer indebar forbedringer på flere områder.

"Det er svært at pege på et centralt element i forbedringen, da dette var en ret omfattende litografisk udvikling, der indebar mange individuelle forbedringer af eksisterende ideer, i modsætning til et magisk gennembrudsmoment, "sagde han." Bestemmelsen af ​​den rigtige materialestak at arbejde med er bestemt et vigtigt element. Arbejde med disse mindre kendte materialer, imidlertid, har den ulempe, at meget af de litografiske teknikker skulle tilpasses, som gav flere udfordringer, som skulle overvindes en efter en. "

For at teste enhederne, forskerne afkølede dem til temperaturer nær absolut nul og demonstrerede, at ledningsevnen for kvantepunkter ændres som reaktion på en påført spænding, angiver, at enhederne er funktionelle. Test viste også, at energiniveauerne i kvantepunkter påvirker et omgivende magnetfelt, demonstrerer kæmpe paramagnetisme - en bestemt type paramagnetisme, som, som navnet antyder, er meget stærkere end den mere typiske paramagnetisme, der ses i metalforbindelser.

"De test, der blev præsenteret i avisen, bekræftede, at vi har bygget et magnetisk kunstigt atom, intet mere på dette stadie, "Gould sagde." Bekræftelsen ligger i det faktum, at magnetfeltudviklingen i atomkvantetilstande klart følger en Brillouin-lignende adfærd, som er karakteristisk for kæmpe paramagnetisme. Hvad der stadig skal gøres er en komplet spektroskopisk undersøgelse af sådanne prikker. Denne type arbejde blev udført omfattende på ikke-magnetiske prikker i 1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne, og i det væsentlige kan alle disse eksperimenter nu gentages på de magnetiske prikker. "

Som Gould forklarede, magnetiske kvantepunkter har begrænsede praktiske anvendelser, men resultaterne kan føre til fremtidige undersøgelser af nul-dimensionelle magnetiske objekter og en bedre forståelse af virkelige atomer.

"Jeg kan angive flere applikationer, der involverer mulige anvendelser inden for kvanteberegning; selv disse 'ansøgninger' vil sandsynligvis aldrig se dagens lys uden for et forskningslaboratorium eller en statslig institution, "Sagde Gould." Årsagen er, at den type enhed, vi beskriver her, er, af temmelig grundlæggende årsager, begrænset til drift ved ultralave temperaturer under et par Kelvin. Oprettelsen af ​​et sådant miljø kræver en omfangsrig og dyr infrastruktur, som sandsynligvis udelukker alle fremtidige bordplade -applikationer.

"Meget mere interessant, efter min mening, at forstå, hvorfor disse resultater er vigtige, er at forstå den betydning, det har for forskning i egenskaberne af virkelige atomer. Disse kunstige atomer har mange egenskaber, der kvalitativt ligner virkelige atomer, og er derfor meget nyttige som modelsystemer i studiet af virkelige atomer. I øvrigt, de kvantitative forskelle er i nogle tilfælde meget gavnlige. Som et enkelt eksempel, vi kan overveje 'singlet-triplet'-overgangen til et heliumatom. Dette er en overgang, når, som en funktion af et magnetfelt, de to elektroner i atomet, som normalt har modsat spin, omarrangere for at have parallelt spin. I et rigtigt atom, dette sker på felter på næsten en million Tesla, som kun findes i noget som en neutronstjerne. Et sådant felt er fuldstændig umuligt at skabe på jorden, og der kan således ikke udføres nogen eksperimentel undersøgelse af denne overgang. På den anden side, den samme overgang i et kunstigt atom kan designes til at forekomme på felter i et par Tesla, som rutinemæssigt kan genereres i næsten ethvert laboratorium. "

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.