23.04.2019
PL EN
28.01.2014 aktualizacja 28.01.2014

Atomy solo: nowe kropki kwantowe dla nowej elektroniki

Nowego typu struktury, w tym pierwsze na świecie kropki kwantowe z pojedynczymi jonami kobaltu, wytworzono i zbadano na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Badania przyczyniają się do rozwoju solotroniki – elektroniki i spintroniki przyszłości, działającej dzięki operacjom na pojedynczych atomach.

Aby mogła następować dalsza miniaturyzacja urządzeń elektronicznych, naukowcy chcą zbadać, jak wykonywać operacje na pojedynczych atomach. "Zachowanie pojedynczych atomów można kontrolować już dziś, umieszczając je w specjalnych strukturach półprzewodnikowych. Tak powstają m.in. kropki kwantowe z pojedynczymi jonami magnetycznymi. W światowych laboratoriach były one znane tylko w dwóch odmianach. Fizykom z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) udało się jednak wytworzyć i przebadać dwa nowe rodzaje tych struktur" - poinformował FUW w przesłanym PAP komunikacie. Publikacja wskazująca kierunki rozwoju solotroniki, przygotowana przez fizyków z FUW trafiła na łamy prestiżowego czasopisma naukowego „Nature Communications”.

„Kropki kwantowe, czyli półprzewodnikowe kryształy rozmiarów miliardowych części metra, są tak małe, że elektrony w ich wnętrzach przebywają tylko w stanach o określonych energiach. Kropka ma więc podobne cechy co atom – i podobnie jak atom, można ją pobudzać światłem do wyższych stanów energetycznych, by potem obserwować świecenie towarzyszące powrotom do stanów o mniejszych energiach” - opisuje prof. Piotr Kossacki (FUW).

W laboratoriach FUW kropki kwantowe wytwarza się za pomocą epitaksji z wiązek molekularnych. Proces polega na precyzyjnym podgrzewaniu tygli z pierwiastkami umieszczonymi w komorze próżniowej. Pary pierwiastków osadzają się na próbce. Odpowiednio dobierając materiały i warunki można spowodować, że osadzające się atomy zbiorą się w niewielkie skupiska – kropki kwantowe. W podobny sposób skraplająca się para wodna tworzy kropelki na hydrofobowych (odpychających wodę) podłożach.

Gdy podczas osadzania kropek kwantowych do komory próżniowej wprowadzi się niewielką liczbę innych atomów, np. magnetycznych, część z nich wbuduje się w powstające układy. Po wyjęciu próbki można wtedy pod mikroskopem wyszukać te kropki kwantowe, w których jest dokładnie jeden atom magnetyczny, na dodatek umieszczony centralnie.

„Atom o własnościach magnetycznych zaburza stany energetyczne elektronów kropki kwantowej, co wpływa na sposób jej oddziaływania ze światłem. Kropka kwantowa staje się wtedy detektorem stanów takiego atomu. Zależność funkcjonuje też w drugą stronę: zmieniając stany energetyczne elektronów w kropce kwantowej można wpływać na atom magnetyczny” - mówi Michał Papaj, student FUW, który za pracę nad budową kropek kwantowych z pojedynczymi jonami kobaltu otrzymał w 2013 roku Złoty Medal Chemii w ogólnopolskim konkursie Instytutu Chemii Fizycznej PAN na najlepszą pracę licencjacką.

Jak zaznaczono w komunikacie FUW, najsilniejsze własności magnetyczne mają atomy manganu pozbawione dwóch elektronów (Mn2+). Korzystając z kropek z tellurku kadmu w 2009 roku polscy fizycy zademonstrowali pierwszą pamięć magnetyczną działającą na jednym jonie magnetycznym.

„Powszechnie wierzono, że inne jony magnetyczne, takie jak kobalt Co2+, nie mogą być wykorzystywane w kropkach kwantowych. Mimo niekorzystnych przewidywań, postanowiliśmy to sprawdzić. I tu przyroda mile nas zaskoczyła: obecność nowego jonu magnetycznego nie zepsuła własności kropki kwantowej” - mówi doktorant Jakub Kobak z FUW.

Badacze z FUW zaprezentowali dwa nowe systemy z pojedynczymi jonami magnetycznymi: kropki kwantowe z tellurku kadmu z atomem kobaltu oraz kropki z selenku kadmu z atomem manganu. Jony manganu charakteryzują się najsilniejszymi własnościami magnetycznymi. Niestety, oprócz elektronów w atomie wkład do tych własności wnosi także samo jądro atomowe. W konsekwencji kropka kwantowa z jonem manganu jest skomplikowanym układem kwantowym. Odkrycie fizyków z FUW dowodzi, że jako jony magnetyczne mogą się sprawdzić także inne pierwiastki magnetyczne, np. chrom, żelazo czy nikiel. Są one pozbawione spinu jądrowego, co oznacza, że kropki kwantowe z ich udziałem powinny być prostsze do kontrolowania.

W kropce kwantowej, w której zamiast telluru zastosowano lżejszy selen, zaobserwowano z kolei wydłużenie o rząd wielkości czasu pamiętania zapisanej informacji. Wynik ten pozwala wnioskować, że użycie lżejszych pierwiastków może wydłużyć czas przechowywania informacji przez kropki kwantowe z pojedynczymi jonami magnetycznymi – być może nawet o kilka rzędów wielkości.

„Pokazaliśmy, że dwa układy kwantowe, o których sądzono, że nie powinny działać, w rzeczywistości działają bardzo dobrze. Otwieramy w ten sposób szerokie pole do poszukiwań innych, dotychczas odrzucanych kombinacji materiałów na kropki kwantowe i jony magnetyczne” - podsumowuje dr Wojciech Pacuski z FUW.

Badania nad kropkami kwantowymi z pojedynczymi jonami magnetycznymi zrealizowano dzięki grantom Narodowego Centrum Nauki i Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz środkom projektu Centrum Badań Przedklinicznych i Technologii (CePT).

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019