Mogelijk de weg vrijmaken voor geavanceerde computers, lasers of optische apparaten, Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben nieuwe effecten onthuld in kleine elektronische apparaten die kwantumstippen worden genoemd.

In hun werk, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , de onderzoekers hebben analysemethoden ontwikkeld en toegepast die helpen bij het beantwoorden van andere uitdagende vragen voor het ontwikkelen van elektronische materialen.

"We kunnen nu kijken naar een reeks structuren waar mensen voorheen niet naar konden kijken, " zegt Paul Evans, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan UW-Madison. "In deze structuren er zijn nieuwe reeksen cruciale materiaalproblemen die we eerder niet konden oplossen."

De structuren waar Evans en collega's naar keken, zijn duizenden keren smaller dan losse vellen papier, en kleiner dan de afmetingen van individuele menselijke cellen. In die structuren kwantumstippen vormen zich in zeer dunne stapels kristallijne materialen met daarboven een asymmetrische opstelling van platte, spichtig, vingerachtige metalen elektroden. Tussen de toppen van die metalen vingers bevinden zich kleine ruimtes die kwantumstippen bevatten.

Het creëren van zulke precieze structuren en het turen in die kleine ruimtes is technisch een uitdaging, echter, en kwantumstippen gedragen zich niet altijd zoals verwacht.

Eerder werk van Evans' medewerkers aan de Technische Universiteit Delft in Nederland, die de kristalstapelstructuren creëerde en uitgebreid bestudeerde, leidde tot vermoedens dat de kwantumstippen in belangrijke opzichten verschilden van wat was ontworpen.

Tot nu, het meten van die verschillen was niet mogelijk.

"Vroegere benaderingen voor beeldvorming en de modellering lieten mensen niet toe om quantum dot-apparaten op deze kleine schaal structureel te karakteriseren, " zegt Anastasios Pateras, een postdoctoraal wetenschapper in Evans' groep en de eerste auteur van het papier.

Pateras en collega's pionierden met een strategie voor het gebruik van bundels van zeer strak gefocuste röntgenstralen om de kwantumdot-apparaten te karakteriseren - en dat hing af van een nieuwe methode om te interpreteren hoe de röntgenstralen zich verspreiden. Door hun aanpak te gebruiken, ze observeerden verschuivingen in de afstand en oriëntatie van atomaire lagen binnen de kwantumstippen.

"Quantum dots moeten bijna perfect zijn, ", zegt Evans. "Deze kleine afwijking van perfectie is belangrijk."

De ontdekking van het team geeft aan dat het proces van het maken van de kwantumstippen - het neerleggen van metalen elektroden bovenop een in het laboratorium gekweekt kristal - het materiaal eronder enigszins vervormt. Dit rimpelen zorgt voor spanning in het materiaal, wat leidt tot kleine vervormingen in de kwantumstippen. Door dit effect te begrijpen en te benutten, kunnen onderzoekers zich beter gedragen kwantumstippen.

"Als je deze hoeveelheden kent, dan kun je apparaten ontwerpen die rekening houden met die structuur, ', zegt Evans.

Ontwerpen met die kleine onvolkomenheden in gedachten zullen vooral belangrijk zijn voor toekomstige apparaten waar vele duizenden kwantumstippen allemaal moeten samenwerken.

"Dit wordt heel relevant, want direct, er zijn meerdere bronnen van decoherentie quantum dots, ' zegt Pateras.

De onderzoekers ontwikkelen nu een algoritme om automatisch atomaire posities in kristallen te visualiseren uit röntgenverstrooiingspatronen, aangezien het waarschijnlijk te tijdrovend zou zijn om de nodige berekeningen met de hand uit te voeren. Aanvullend, ze onderzoeken hoe de technieken inzicht kunnen toevoegen aan andere moeilijk te bestuderen structuren.