(Phys.org)—Kvantpunkter är halvledarkristaller som innehåller några hundra atomer instängda i ett så litet utrymme att de anses vara nolldimensionella objekt, ofta kallade "konstgjorda atomer". Forskare har tillverkat kvantprickar av olika material och storlekar. Nu i en ny studie, forskare har visat hur man tillverkar individuella magnetiska kvantprickar med pelardiametrar så låga som 250 nm, den minsta punkten av denna typ som hittills rapporterats.

Forskarna, ledd av Charles Gould, en postdoktor vid universitetet i Würzburg, har publicerat sin studie om tillverkning av magnetiska kvantprickar i ett färskt nummer av Nanoteknik .

"Det här är inte de första magnetiska kvantprickarna, eftersom magnetiska kvantprickar tidigare har gjorts med tekniker som självmontering, " berättade Gould Phys.org . "Dessa tidigare tekniker tillåter en att studera en samling av många miljoner kvantprickar åt gången, men tillåt inte studier av enskilda prickar. Som sådan, eftersom alla prickar i samlingen är lite olika, det är i huvudsak omöjligt att extrahera egenskaperna hos de individuella prickarna. Vår metod, för första gången, tillåter produktion och studier av en individuell magnetisk artificiell atom."

Som forskarna förklarar, kvantprickar har vanligtvis en av två geometrier:laterala (definierade av två portar placerade sida vid sida) eller vertikala (bildade av en pelare i en kvantbrunn). Även om det är oklart hur man gör en lateral kvantprickmagnetisk, en vertikal prick kan teoretiskt göras magnetisk genom att doppa kvantbrunnen med mangan för att ge den magnetiska egenskaper. Dock, i verkligheten står denna idé inför flera tekniska utmaningar, såsom behovet av djupa skyttegravar, en isolerande beläggning på pelaren, och exakt inriktning av komponenterna.

I den här studien, forskarna har övervunnit dessa tillverkningsutmaningar genom att utveckla en flerstegsprocess som använder elektronstrålelitografi för att skära ut de djupa dikena, omge pelaren med en isolerande grind, och definiera de elektriska kontakterna. Som Gould förklarade, att övervinna de tekniska utmaningarna innebar förbättringar på flera områden.

"Det är svårt att peka på en viktig del av förbättring, eftersom detta var en ganska omfattande litografisk utveckling som innebar många individuella förbättringar av befintliga idéer, i motsats till ett magiskt genombrottsögonblick, ", sa han. "Visst är identifieringen av rätt materialstapel att arbeta med en viktig del. Att arbeta med dessa mindre kända material, dock, har nackdelen att mycket av de litografiska teknikerna behövde anpassas, som gav flera utmaningar som behövde övervinnas en efter en."

För att testa enheterna, forskarna kylde dem till temperaturer nära absolut noll och visade att ledningsförmågan hos kvantprickarna förändras som svar på en pålagd spänning, indikerar att enheterna fungerar. Tester visade också att kvantprickarnas energinivåer påverkar ett omgivande magnetfält, demonstrerar jätteparamagnetism – en speciell typ av paramagnetism som, som namnet antyder, är mycket starkare än den mer typiska paramagnetism som ses i metallföreningar.

"Testerna som presenterades i tidningen bekräftade att vi har byggt en magnetisk konstgjord atom, inget mer i detta skede, " sade Gould. "Bekräftelsen ligger i det faktum att magnetfältets utveckling av atomernas kvanttillstånd tydligt följer ett Brillouin-liknande beteende, vilket är karakteristiskt för jätteparamagnetism. Vad som fortfarande behöver göras är en komplett spektroskopisk studie av sådana prickar. Denna typ av arbete utfördes i stor utsträckning på icke-magnetiska punkter under 1990-talet och början av 2000-talet, och i princip alla dessa experiment kan nu upprepas på de magnetiska prickarna."

Som Gould förklarade, magnetiska kvantprickar har begränsade praktiska tillämpningar, men resultaten kan leda till framtida studier av nolldimensionella magnetiska objekt och en bättre förståelse av verkliga atomer.

"Jag kan lista flera applikationer som involverar möjliga användningar inom kvantberäkning, men även dessa "applikationer" är osannolikt att någonsin se dagens ljus utanför ett forskningslabb eller statlig institution, " Sa Gould. "Anledningen är att den typ av enhet vi beskriver här är, av ganska grundläggande skäl, begränsad till drift vid ultralåga temperaturer på under några Kelvin. Skapandet av en sådan miljö kräver en skrymmande och dyr infrastruktur som förmodligen utesluter framtida bordsapplikationer.

"Mycket mer intressant, enligt min åsikt, för att förstå varför dessa resultat är viktiga, är att förstå vilken betydelse det har för forskning om verkliga atomers egenskaper. Dessa konstgjorda atomer har många egenskaper som är kvalitativt lika verkliga atomer, och är därför mycket användbara som modellsystem i studiet av verkliga atomer. Dessutom, de kvantitativa skillnaderna är i vissa fall mycket fördelaktiga. Som ett enkelt exempel, vi kan betrakta "singlet-triplett"-övergången av en heliumatom. Detta är en övergång när, som en funktion av ett magnetfält, de två elektronerna i atomen, som normalt har motsatt spin, arrangera om för att få parallellt spinn. I en riktig atom, detta händer på fält av nästan en miljon Tesla, som bara finns i något som liknar en neutronstjärna. Ett sådant fält är helt omöjligt att skapa på jorden, och därför kan ingen experimentell studie av denna övergång utföras. Å andra sidan, samma övergång i en konstgjord atom kan utformas för att inträffa vid fält av ett par Tesla, som rutinmässigt kan genereras i nästan vilket labb som helst."

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.