Polscy fizycy tworzą podstawy solotroniki, elektroniki operującej pojedynczymi atomami. W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma naukowego "Nature Communications" naukowcy z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) opisują metodę tworzenia pierwszych na świecie kropek kwantowych z pojedynczymi jonami kobaltu. Ich publikacja daje nadzieję, że solotronika będzie miała szansę się upowszechnić.
Układy elektroniczne działające na pojedynczych atomach wydają się naturalną konsekwencją postępującej miniaturyzacji. Zachowanie pojedynczych atomów można kontrolować już dziś, umieszczając je w specjalnych strukturach półprzewodnikowych. Tak powstają miedzy innymi kropki kwantowe z pojedynczymi jonami magnetycznymi.
W światowych laboratoriach tworzono je tylko w dwóch odmianach. Fizykom z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW udało się teraz zbudować i przebadać dwa nowe rodzaje tych struktur. Stworzenie ich w oparciu o te konkretne materiały i pierwiastki daje nadzieje, że w przyszłości sprzęt solotroniczny ma szansę się upowszechnić.
"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. dr hab. 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 - właśnie kropki kwantowe. W podobny sposób skraplająca się para wodna tworzy kropelki na hydrofobowych podłożach, na przykład nawoskowanej karoserii samochodu.
Gdy podczas osadzania kropek kwantowych do komory próżniowej wprowadzi się niewielką liczbę innych atomów, na przykład 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.
"Taki atom zaburza stany energetyczne elektronów kropki kwantowej, 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", tłumaczy 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.
Najsilniejsze własności magnetyczne mają atomy manganu pozbawione dwóch elektronów (Mn2+). Dotąd osadzano je w kropkach kwantowych z tellurku kadmu (CdTe) lub arsenku indu. "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 (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, które nie mają spinu jądrowego. 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 (FUW).
Na załączonej ilustracji widać przekrój kropek kwantowych opracowanych, skonstruowanych i przetestowanych w FUW. Kolorem czerwonym oznaczono jon (kobaltu lub manganu) o własnościach magnetycznych (symbolizowanych przez strzałkę). Kolor żółty reprezentuje kropkę kwantową (odpowiednio z tellurku kadmu lub selenku kadmu). Na niebiesko wyróżniono warstwę półprzewodnika zabezpieczającą kropkę kwantową.
Na podstawie materiałów prasowych FUW.
