Detta är ett tvärsnitt av de kvantprickar som utvecklats, konstruerad och testad av Institute of Experimental Physics vid Fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa. Färgen röd markerar en jon (kobolt eller mangan) med magnetiska egenskaper (symboliserad av pilen). Gult representerar en kvantpunkt (kadmiumtellurid eller indiumarsenid, respektive). Blått visar halvledarskiktet som säkrar kvantpunkten. Kredit:University of Warsaw
Nya typer av solotroniska strukturer, inklusive världens första kvantpunkter som innehåller enstaka koboltjoner, har skapats och studerats vid fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa. Materialen och elementen som används för att bilda dessa strukturer gör att vi kan förutse nya trender inom solotronik - ett område med experimentell elektronik och framtidens spintronik, baserat på operationer som sker på en atomnivå.
Elektroniska system som arbetar på individuella atoms nivå tycks vara den naturliga konsekvensen av ansträngningar att uppnå en allt större miniatyrisering. Redan nu, vi kan kontrollera beteendet hos enskilda atomer genom att placera dem i speciella halvledarstrukturer - detta är metoden som används för att bilda kvantprickar som innehåller enstaka magnetiska joner. Tills nyligen, endast två varianter av sådana strukturer var kända. Dock, fysiker från Institute of Experimental Physics vid Fysiska fakulteten vid Warszawas universitet (FUW) har framgångsrikt skapat och studerat två helt nya typer av strukturer. Materialen och elementen som används i processen gör det helt troligt att solotronic -enheter kan komma att bli utbredd i framtiden.
Resultaten, Warszawafysikerna har just publicerat i Naturkommunikation , bana väg för att utveckla området för solotronik.
"Kvantprickar är halvledarkristaller på en nanometer skala. De är så små att elektronerna i dem existerar endast i tillstånd med specifika energier. Som sådan, kvantprickar uppvisar liknande egenskaper som atomer, och - precis som atomer - kan de stimuleras med ljus för att nå högre energinivåer. Omvänt, detta betyder att de avger ljus när de återvänder till tillstånd med lägre energinivåer, "säger professor Piotr Kossacki.
Universitetslaboratoriet skapar kvantprickar med hjälp av molekylär stråleepitaxi. Processen innefattar precisionsvärmande deglar som innehåller element placerade i en vakuumkammare. Elementstrålar avsätts på provet. Genom att noggrant välja material och experimentella förhållanden, atomerna samlas till små öar, kallas kvantprickar. Processen liknar hur vattenånga kondenserar på en hydrofob yta.
Medan prickarna löser sig, en liten mängd andra atomer (till exempel magnetiska) kan införas i vakuumkammaren, med en del som blir en del av de nya prickarna. När provet har tagits bort, det kan undersökas under ett mikroskop för att detektera kvantprickar som innehåller en enda magnetatom i mitten.
"Atomer med magnetiska egenskaper stör elektronernas energinivåer i en kvantpunkt, som påverkar hur de interagerar med ljus. Som ett resultat, kvantpunkten blir en detektor för en sådan atoms tillstånd. Förhållandet fungerar också på andra sätt:genom att ändra energistatus för elektroner i kvantpunkter, vi kan påverka respektive magnetatomer, "förklarar Michał Papaj, student vid UW -fakulteten för fysik, tilldelades guldmedaljen i kemi under förra årets nationella tävling om bästa kandidatexamen. avhandling som innehas av Institute of Physical Chemistry vid polska vetenskapsakademien för hans arbete med kvantprickar som innehåller enstaka koboltjoner.
De mest kraftfulla magnetiska egenskaperna observeras i manganatomer utan två elektroner (Mn2+). I experiment som gjorts hittills, jonerna har monterats i kvantprickar gjorda av kadmiumtellurid (CdTe) eller indiumarsenid (InAs). Med hjälp av CdTe -prickar utarbetade av Dr. Piotr Wojnar vid PAS Institute of Physics, 2009 demonstrerade Mateusz Goryca från universitetet i Warszawa det första magnetiska minnet som fungerar på en enda magnetjon.
"Man trodde ofta att andra magnetjoner, såsom kobolt (Co 2+ ), kan inte användas i kvantpunkter. Vi bestämde oss för att verifiera detta, och naturen gav oss en trevlig överraskning:närvaron av en ny magnetjon visade sig inte förstöra egenskaperna hos kvantpunkten, "säger Jakub Kobak, doktorand vid universitetet i Warszawa.
Forskare från universitetet i Warszawa har presenterat två nya system med enda magnetiska joner:CdTe -kvantprickar med en koboltatom, och kadmiumselenid (CdSe) prickar med en manganatom.
Som redan nämnts, manganatomer uppvisar de mest kraftfulla magnetiska egenskaperna. Tyvärr, de orsakas av atomkärnan liksom elektronerna, vilket innebär att kvantpunkter som innehåller manganjoner är komplexa kvantsystem. Upptäckten som gjordes av fysiker vid universitetet i Warszawa visar att andra magnetiska element - som krom, järn och nickel - kan användas istället för mangan. Dessa element har ingen kärnvridning, vilket borde göra kvantpunkter som innehåller dem lättare att manipulera.
I kvantprickar där tellur ersätts av det lättare selen, forskare observerade att varaktigheten för vilken information kom ihåg ökade med en storleksordning. Detta resultat tyder på att användning av lättare element bör förlänga den tid som kvantprickar som innehåller enstaka magnetiska joner lagrar information, kanske till och med av flera storleksordningar.
"Vi har visat att två kvantsystem som man trodde inte var livskraftiga faktiskt fungerade mycket effektivt. Detta öppnar ett brett fält i vårt sökande efter andra, tidigare avvisade kombinationer av material för kvantprickar och magnetiska joner, "avslutar doktor Wojciech Pacuski.
