Udnyttelse af ufuldkommenheder til at skabe bedre opførte kvanteprikker

Potentielt baner vejen mod avancerede computere, lasere eller optiske enheder, University of Wisconsin-Madison forskere har afsløret nye effekter i små elektroniske enheder kaldet kvanteprikker.

I deres arbejde, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Nano bogstaver , forskerne udviklede og anvendte analysemetoder, der vil hjælpe med at besvare andre udfordrende spørgsmål til udvikling af elektroniske materialer.

"Vi kan nu se på et sæt strukturer, som folk ikke kunne se på før, " siger Paul Evans, professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison. "I disse strukturer, der er nye sæt af afgørende materialeproblemer, som vi tidligere ikke var i stand til at tænke på at løse."

De strukturer, Evans og kolleger så på, er tusindvis af gange smallere end enkelte ark papir, og mindre end dimensionerne af individuelle menneskelige celler. I de strukturer, kvanteprikker dannes inde i meget tynde stakke af krystallinske materialer toppet af et asymmetrisk arrangement af flade, spinkelt, fingerlignende metalliske elektroder. Mellem spidserne af disse metalliske fingre er der små mellemrum, der indeholder kvanteprikker.

At skabe så præcise strukturer og kigge ind i de små rum er teknisk udfordrende, imidlertid, og kvanteprikker opfører sig ikke altid som forventet.

Tidligere arbejde af Evans' samarbejdspartnere ved Delft University of Technology i Holland, som skabte og grundigt studerede krystalstabelstrukturerne, førte til mistanke om, at kvanteprikkerne på vigtige måder var forskellige fra det, der var blevet designet.

Indtil nu, Det var ikke muligt at måle disse forskelle.

"Tidligere billedfremgangsmåder og modelleringen tillod ikke folk at strukturelt karakterisere kvanteprik-enheder i denne lille skala, " siger Anastasios Pateras, en postdoc i Evans' gruppe og avisens første forfatter.

Pateras og kolleger var banebrydende for en strategi for at bruge stråler af meget tæt fokuserede røntgenstråler til at karakterisere kvanteprik-enhederne - og det hang sammen med en ny metode til at fortolke, hvordan røntgenstrålerne spredte sig. Ved at bruge deres tilgang, de observerede skift i afstanden og orienteringen af ​​atomlag inden for kvanteprikkerne.

"Kvanteprikker skal være tæt på perfekte, " siger Evans. "Denne lille afvigelse fra perfektion er vigtig."

Holdets opdagelse indikerer, at processen med at skabe kvanteprikkerne - at lægge metalliske elektroder ned oven på en laboratoriedyrket krystal - forvrænger materialet nedenunder lidt. Denne rynkning skaber belastning i materialet, fører til små forvrængninger i kvanteprikkerne. Forståelse og udnyttelse af denne effekt kan hjælpe forskere med at skabe bedre opførte kvanteprikker.

"Når du kender disse mængder, så kan du designe enheder, der tager højde for den struktur, " siger Evans.

Design med disse små ufuldkommenheder i tankerne vil være særligt vigtige for fremtidige enheder, hvor mange tusinde kvanteprikker alle skal arbejde sammen.

"Dette bliver meget relevant, fordi lige nu, der er flere kilder til dekohærens kvanteprikker, " siger Pateras.

Forskerne er nu ved at udvikle en algoritme til automatisk at visualisere atompositioner i krystaller fra røntgenstrålespredningsmønstre, i betragtning af, at det sandsynligvis vil være for tidskrævende at udføre de nødvendige beregninger i hånden. Derudover de undersøger, hvordan teknikkerne kan tilføje indsigt til andre svære at studere strukturer.