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
reklama
Załaduj więcej newsów
April 26 2018 15:08 V9.5.0-2