(Phys.org) — Quantum dots zijn halfgeleiderkristallen die een paar honderd atomen bevatten die in zo'n kleine ruimte zijn opgesloten dat ze als nuldimensionale objecten worden beschouwd. vaak "kunstmatige atomen" genoemd. Onderzoekers hebben kwantumstippen gemaakt van verschillende materialen en maten. Nu in een nieuwe studie, wetenschappers hebben aangetoond hoe individuele magnetische kwantumstippen kunnen worden gefabriceerd met pilaardiameters zo laag als 250 nm, de kleinste stip van dit type die tot nu toe is gerapporteerd.

De onderzoekers, onder leiding van Charles Gould, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Würzburg, hebben hun studie over de fabricage van magnetische kwantumstippen gepubliceerd in een recent nummer van Nanotechnologie .

"Dit zijn niet de eerste magnetische kwantumstippen, aangezien magnetische kwantumdots eerder zijn gemaakt door technieken zoals zelfassemblage, "Gould vertelde" Phys.org . "Met deze eerdere technieken kan men een verzameling van vele miljoenen kwantumstippen tegelijk bestuderen, maar laat de studie van individuele punten niet toe. Als zodanig, aangezien alle stippen in de collectie iets anders zijn, het is in wezen onmogelijk om eigenschappen van de afzonderlijke punten te extraheren. Onze methode, Voor de eerste keer, maakt de productie en studie van een individueel magnetisch kunstmatig atoom mogelijk."

Zoals de onderzoekers uitleggen, kwantumstippen hebben gewoonlijk een van twee geometrieën:lateraal (gedefinieerd door twee poorten die naast elkaar zijn geplaatst) of verticaal (gevormd uit een pilaar in een kwantumput). Hoewel het onduidelijk is hoe je een laterale kwantumstip magnetisch kunt maken, een verticale stip kan theoretisch magnetisch worden gemaakt door de kwantumput te doteren met mangaan om het magnetische eigenschappen te geven. Echter, in werkelijkheid staat dit idee voor verschillende technische uitdagingen, zoals de behoefte aan diepe loopgraven, een isolerende coating op de pilaar, en nauwkeurige uitlijning van de componenten.

In dit onderzoek, de onderzoekers hebben deze fabricage-uitdagingen overwonnen door een meerstapsproces te ontwikkelen dat elektronenstraallithografie gebruikt om de diepe greppels uit te houwen, omring de pilaar met een isolerende poort, en definieer de elektrische contacten. Zoals Gould uitlegde, het overwinnen van de technische uitdagingen omvatte verbeteringen op verschillende gebieden.

"Het is moeilijk om één sleutelelement van verbetering aan te wijzen, aangezien dit een vrij uitgebreide lithografische ontwikkeling was die veel individuele verbeteringen aan bestaande ideeën met zich meebracht, in tegenstelling tot één magisch doorbraakmoment, " zei hij. "Zeker de identificatie van de juiste materiaalstapel om mee te werken is een belangrijk element. Werken met deze minder bekende materialen, echter, heeft als nadeel dat veel van de lithografische technieken moesten worden aangepast, die meerdere uitdagingen bood die één voor één moesten worden overwonnen."

Om de apparaten te testen, de onderzoekers koelden ze af tot temperaturen rond het absolute nulpunt en toonden aan dat de geleidbaarheid van de kwantumstippen verandert als reactie op een aangelegde spanning, om aan te geven dat de apparaten functioneel zijn. Tests toonden ook aan dat de energieniveaus van de kwantumstippen een omringend magnetisch veld beïnvloeden, het demonstreren van gigantisch paramagnetisme - een bepaald type paramagnetisme dat, zoals de naam impliceert, is veel sterker dan het meer typische paramagnetisme dat wordt gezien in metaalverbindingen.

"De tests die in het artikel worden gepresenteerd, bevestigden dat we een magnetisch kunstmatig atoom hebben gebouwd, niets meer in dit stadium, Gould zei. "De bevestiging ligt in het feit dat de magnetische veldevolutie van de atomaire kwantumtoestanden duidelijk een Brillouin-achtig gedrag volgt, wat kenmerkend is voor reuzenparamagnetisme. Wat nog moet gebeuren, is een volledige spectroscopische studie van dergelijke stippen. Dit soort werk is in de jaren 90 en begin 2000 uitgebreid gedaan op niet-magnetische punten. en in wezen kunnen al deze experimenten nu worden herhaald op de magnetische stippen."

Zoals Gould uitlegde, magnetische kwantumstippen hebben beperkte praktische toepassingen, maar de resultaten kunnen leiden tot toekomstige studies over nuldimensionale magnetische objecten en een beter begrip van echte atomen.

"Ik kan verschillende toepassingen opsommen met mogelijk gebruik in kwantumcomputers, maar zelfs deze 'toepassingen' zullen waarschijnlijk nooit het daglicht zien buiten een onderzoekslaboratorium of overheidsinstelling, " zei Gould. "De reden is dat het type apparaat dat we hier beschrijven is, om vrij fundamentele redenen, beperkt tot werking bij ultra-lage temperaturen van onder een paar Kelvin. Het creëren van een dergelijke omgeving vereist een omvangrijke en dure infrastructuur die toekomstige tabletop-applicaties waarschijnlijk uitsluit.

"Veel interessanter, Naar mijn mening, om te begrijpen waarom deze resultaten belangrijk zijn, is om de betekenis te begrijpen die het heeft voor onderzoek naar de eigenschappen van echte atomen. Deze kunstmatige atomen hebben veel eigenschappen die kwalitatief vergelijkbaar zijn met echte atomen, en zijn daarom zeer bruikbaar als modelsystemen bij de studie van reële atomen. Bovendien, de kwantitatieve verschillen zijn in sommige gevallen zeer gunstig. Als een eenvoudig voorbeeld, we kunnen de 'singlet-triplet'-overgang van een heliumatoom beschouwen. Dit is een overgang wanneer, als functie van een magnetisch veld, de twee elektronen in het atoom, die normaal gesproken een tegengestelde spin hebben, herschikken om parallelle spin te hebben. In een echt atoom, dit gebeurt op velden van bijna een miljoen Tesla, die alleen bestaan ​​in zoiets als een neutronenster. Zo'n veld is totaal onmogelijk om op aarde te creëren, en dus kan geen experimentele studie van deze overgang worden uitgevoerd. Anderzijds, dezelfde overgang in een kunstmatig atoom kan worden ontworpen om plaats te vinden op velden van een paar Tesla, die routinematig kan worden gegenereerd in zowat elk laboratorium."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.