Nye kvantepunkter indvarsler en ny æra af elektronik, der opererer på et enkelt atomniveau

Nye typer solotroniske strukturer, herunder verdens første kvantepunkter, der indeholder enkelte koboltioner, er blevet oprettet og studeret ved det fysiske fakultet ved universitetet i Warszawa. Materialerne og elementerne, der bruges til at danne disse strukturer, giver os mulighed for at forudsige nye tendenser inden for solotronik - et område med eksperimentel elektronik og fremtidens spintronik, baseret på operationer, der forekommer på et enkeltatom-niveau.

Elektroniske systemer, der arbejder på individuelle atoms niveau, synes at være den naturlige konsekvens af bestræbelserne på at opnå en stadig større miniaturisering. Allerede nu, vi er i stand til at styre individuelle atoms adfærd ved at placere dem i særlige halvlederstrukturer - dette er metoden, der bruges til at danne kvantepunkter, der indeholder enkelte magnetiske ioner. Indtil for nylig, kun to varianter af sådanne strukturer var kendt. Imidlertid, fysikere fra Institute of Experimental Physics ved Fysisk Fakultet ved University of Warsaw (FUW) har med succes skabt og studeret to helt nye typer af strukturer. Materialerne og elementerne, der bruges i processen, gør det helt sandsynligt, at solotronic -apparater kan komme til at blive udbredt i fremtiden.

Resultaterne, Warszawafysikerne har netop offentliggjort i Naturkommunikation , bane vejen for at udvikle solotronikområdet.

"Kvantepunkter er halvlederkrystaller på en nanometer skala. De er så små, at elektronerne i dem kun findes i tilstande med specifikke energier. Som sådan, kvanteprikker udviser lignende egenskaber som atomer, og - ligesom atomer - kan de stimuleres med lys til at nå højere energiniveauer. Omvendt det betyder, at de udsender lys, når de vender tilbage til stater med lavere energiniveauer, "siger professor Piotr Kossacki.

Universitetslaboratoriet skaber kvanteprikker ved hjælp af molekylær stråleepitaxy. Processen involverer præcisionsopvarmende digler, der indeholder elementer placeret i et vakuumkammer. Bjælker af elementer afsættes på prøven. Ved omhyggeligt at vælge materialer og forsøgsbetingelser, atomer samles til små øer, kendt som kvantepunkter. Processen ligner, hvordan vanddamp kondenserer på en hydrofob overflade.

Mens prikkerne sætter sig, en lille mængde andre atomer (f.eks. magnetiske) kan indføres i vakuumkammeret, hvor nogle blev en del af de nye prikker. Når prøven er fjernet, det kan undersøges under et mikroskop for at detektere kvantepunkter indeholdende et enkelt magnetisk atom i midten.

"Atomer med magnetiske egenskaber forstyrrer elektronernes energiniveauer i en kvantepunkt, hvilket påvirker hvordan de interagerer med lys. Som resultat, kvantepunktet bliver en detektor for et sådant atoms tilstand. Forholdet fungerer også den anden vej:ved at ændre energistatus for elektroner i kvantepunkter, vi kan påvirke de respektive magnetiske atomer, "forklarer Michał Papaj, en studerende ved UW Fysisk Fakultet, tildelt guldmedaljen i kemi under sidste års nationale konkurrence om den bedste B.Sc. afhandling holdt af Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi for sit arbejde med kvantepunkter indeholdende enkelte koboltioner.

De mest kraftfulde magnetiske egenskaber observeres i manganatomer, der er frataget to elektroner (Mn2+). I forsøg foretaget indtil nu har ionerne er blevet monteret i kvanteprikker lavet af cadmiumtellurid (CdTe) eller indiumarsenid (InAs). Ved hjælp af CdTe -prikker udarbejdet af Dr. Piotr Wojnar ved PAS Institute of Physics, i 2009 demonstrerede Mateusz Goryca fra University of Warsaw den første magnetiske hukommelse, der opererede på en enkelt magnetisk ion.

"Det blev almindeligt antaget, at andre magnetiske ioner, såsom kobolt (Co ²⁺ ), kan ikke bruges i kvantepunkter. Vi besluttede at kontrollere dette, og naturen gav os en behagelig overraskelse:tilstedeværelsen af ​​en ny magnetisk ion viste sig ikke at ødelægge egenskaberne ved kvantepunktet, "siger Jakub Kobak, doktorand ved universitetet i Warszawa.

Forskere fra universitetet i Warszawa har præsenteret to nye systemer med enkelt magnetiske ioner:CdTe kvantepunkter med et koboltatom, og cadmiumselenid (CdSe) prikker med et manganatom.

Som allerede nævnt, manganatomer udviser de mest kraftfulde magnetiske egenskaber. Desværre, de er forårsaget af atomkernen såvel som elektronerne, hvilket betyder, at kvantepunkter indeholdende manganioner er komplekse kvantesystemer. Opdagelsen foretaget af fysikere ved universitetet i Warszawa viser, at andre magnetiske elementer - såsom krom, jern og nikkel - kan bruges i stedet for mangan. Disse elementer har ikke atomspin, hvilket skulle gøre kvanteprikker, der indeholder dem lettere at manipulere.

I kvantepunkter, hvor tellur erstattes af det lettere selen, forskere observerede, at varigheden, for hvilken information blev husket, steg med en størrelsesorden. Dette fund tyder på, at brug af lettere elementer bør forlænge den tid, kvantepunkter, der indeholder enkelt magnetiske ioner, gemmer information, måske endda af flere størrelsesordener.

"Vi har demonstreret, at to kvantesystemer, der menes ikke at være levedygtige, faktisk virkede meget effektivt. Dette åbner et bredt felt i vores søgen efter andre, tidligere afviste kombinationer af materialer til kvantepunkter og magnetiske ioner, "slutter Dr. Wojciech Pacuski.