reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© grzegorz-kula-dreamstime.com Nauka | 29 stycznia 2014

Solotronika – elektronika oparta na pojedynczych atomach

Na Wydziale Fizyki UW wytworzono i zbadano nowego typu struktury, w tym pierwsze na świecie kropki kwantowe z pojedynczymi jonami kobaltu. Materiały i pierwiastki użyte do budowy tych struktur pozwalają wskazać nowe kierunki rozwoju solotroniki.

Ostatnie lata zwiastują powstanie nowej elektroniki – solotroniki – korzystającej z kwantowych lub klasycznych właściwości pojedynczych atomów. Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego dołączył do wąskiego grona instytucji, w których tego typu technologie mogą być realizowane samodzielnie – od etapu planowania nowych struktur, przez wytworzenie, charakteryzację, po optyczne sterowanie pojedynczymi jonami w półprzewodnikach.

Układy elektroniczne operujące na poszczególnych atomach wydają się naturalną konsekwencją postępującej miniaturyzacji. 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. Materiały i pierwiastki użyte do ich budowy pozwalają przypuszczać, że w przyszłości sprzęt solotroniczny ma szansę się upowszechnić.


Przekrój kropek kwantowych opracowanych, skonstruowanych i przetestowanych w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. 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.
(Źródło: © FUW)


- 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 – kropki kwantowe. W podobny sposób skraplająca się para wodna tworzy kropelki na hydrofobowych 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- wyjaśnia 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.


Na zdjęciu dr Wojciech Pacuski przy aparaturze do epitaksji z wiązek molekularnych użytej do budowy kropek kwantowych.
(Źródło: © FUW)


Najsilniejsze własności magnetyczne mają atomy manganu pozbawione dwóch elektronów (Mn2+). Dotąd osadzano je w kropkach kwantowych z tellurku kadmu (CdTe) lub arsenku indu. Korzystając z kropek CdTe przygotowanych przez dr. Piotra Wojnara w Instytucie Fizyki PAN, w 2009 roku Mateusz Goryca z FUW zademonstrował 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 (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.

Publikacja wskazująca kierunki rozwoju solotroniki, przygotowana przez fizyków z FUW, właśnie trafiła na łamy prestiżowego czasopisma naukowego „Nature Communications”.

---
Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
September 25 2018 19:10 V11.1.0-1