Nieuwe soorten solotronische structuren, inclusief 's werelds eerste kwantumdots die enkelvoudige kobaltionen bevatten, zijn gemaakt en bestudeerd aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau. De materialen en elementen die worden gebruikt om deze structuren te vormen, stellen ons in staat om nieuwe trends in solotronica te voorspellen - een gebied van experimentele elektronica en spintronica van de toekomst, gebaseerd op operaties die plaatsvinden op een enkel atoomniveau.

Elektronische systemen die op het niveau van individuele atomen werken, lijken het natuurlijke gevolg te zijn van het streven naar een steeds grotere miniaturisering. Nu al, we zijn in staat om het gedrag van individuele atomen te controleren door ze in speciale halfgeleiderstructuren te plaatsen - dit is de methode die wordt gebruikt om kwantumstippen te vormen die enkele magnetische ionen bevatten. Tot voor kort, er waren slechts twee varianten van dergelijke structuren bekend. Echter, natuurkundigen van het Instituut voor Experimentele Fysica van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau (FUW) hebben met succes twee volledig nieuwe typen structuren gecreëerd en bestudeerd. De materialen en elementen die in het proces worden gebruikt, maken het zeer waarschijnlijk dat solotronic-apparaten in de toekomst wijdverbreid kunnen worden gebruikt.

De resultaten, de natuurkundigen van Warschau hebben zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van het gebied van solotronics.

"Quantum dots zijn halfgeleiderkristallen op nanometerschaal. Ze zijn zo klein dat de elektronen erin alleen bestaan ​​in toestanden met specifieke energieën. Als zodanig zijn kwantumstippen vertonen vergelijkbare kenmerken als atomen, en - net als atomen - kunnen ze met licht worden gestimuleerd om hogere energieniveaus te bereiken. Omgekeerd, dit betekent dat ze licht uitstralen als ze terugkeren naar staten met lagere energieniveaus, " zegt prof. Piotr Kossacki.

Het universitaire laboratorium maakt kwantumdots met behulp van moleculaire bundelepitaxie. Het proces omvat het nauwkeurig verhitten van smeltkroezen met elementen die in een vacuümkamer worden geplaatst. Op het monster worden bundels elementen afgezet. Door zorgvuldig materialen en experimentele omstandigheden te selecteren, de atomen vormen kleine eilandjes, bekend als kwantumdots. Het proces is vergelijkbaar met hoe waterdamp condenseert op een hydrofoob oppervlak.

Terwijl de punten tot rust komen, een kleine hoeveelheid andere atomen (bijvoorbeeld magnetische) kan in de vacuümkamer worden gebracht, met sommigen die een deel van de opkomende stippen worden. Zodra het monster is verwijderd, het kan onder een microscoop worden onderzocht om kwantumstippen te detecteren die een enkel magnetisch atoom in het midden bevatten.

"Atomen met magnetische eigenschappen verstoren de energieniveaus van elektronen in een kwantumstip, die van invloed zijn op hoe ze omgaan met licht. Als resultaat, de kwantumstip wordt een detector van de toestand van zo'n atoom. De relatie werkt ook andersom:door de energietoestanden van elektronen in kwantumstippen te veranderen, we kunnen de respectieve magnetische atomen beïnvloeden, " legt Michał Papaj uit, een student aan de UW Faculteit Natuurkunde, bekroond met de gouden medaille in scheikunde tijdens de nationale competitie van vorig jaar voor de beste B.Sc. proefschrift gehouden door het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen voor zijn werk aan kwantumstippen die enkelvoudige kobaltionen bevatten.

De krachtigste magnetische eigenschappen worden waargenomen in mangaanatomen ontdaan van twee elektronen (Mn2+). In experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, de ionen zijn gemonteerd in kwantumdots gemaakt van cadmiumtelluride (CdTe) of indiumarsenide (InAs). Met behulp van CdTe-dots opgesteld door Dr. Piotr Wojnar van het PAS Institute of Physics, in 2009 demonstreerde Mateusz Goryca van de Universiteit van Warschau het eerste magnetische geheugen dat op een enkel magnetisch ion werkte.

"Het werd algemeen aangenomen dat andere magnetische ionen, zoals kobalt (Co ²⁺ ), kan niet worden gebruikt in kwantumdots. We besloten dit te verifiëren, en de natuur zorgde voor een aangename verrassing:de aanwezigheid van een nieuw magnetisch ion bleek de eigenschappen van de kwantumdot niet te vernietigen, " zegt Jakub Kobak, doctoraatsstudent aan de Universiteit van Warschau.

Onderzoekers van de Universiteit van Warschau hebben twee nieuwe systemen met enkele magnetische ionen gepresenteerd:CdTe-kwantumdots met een kobaltatoom, en cadmiumselenide (CdSe) stippen met een mangaanatoom.

Zoals reeds vermeld, mangaanatomen vertonen de meest krachtige magnetische eigenschappen. Helaas, ze worden veroorzaakt door zowel de atoomkern als de elektronen, wat betekent dat kwantumstippen die mangaanionen bevatten complexe kwantumsystemen zijn. De ontdekking van natuurkundigen van de Universiteit van Warschau toont aan dat andere magnetische elementen – zoals chroom, ijzer en nikkel – kan worden gebruikt in plaats van mangaan. Deze elementen hebben geen kernspin, waardoor kwantumstippen die ze bevatten gemakkelijker te manipuleren zouden moeten zijn.

In kwantumstippen waar tellurium wordt vervangen door het lichtere selenium, onderzoekers merkten op dat de duur van het onthouden van informatie met een orde van grootte toenam. Deze bevinding suggereert dat het gebruik van lichtere elementen de tijd zou moeten verlengen dat kwantumdots met enkele magnetische ionen informatie opslaan, misschien zelfs met meerdere orden van grootte.

"We hebben aangetoond dat twee kwantumsystemen waarvan werd aangenomen dat ze niet levensvatbaar waren, in feite zeer effectief werkten. Dit opent een breed veld in onze zoektocht naar andere, eerder afgewezen combinaties van materialen voor quantum dots en magnetische ionen, " concludeert Dr. Wojciech Pacuski.