Электронные системы, работающие на уровне отдельных атомов, могут казаться естественным следствием усилий по достижению все большей миниатюризации. Уже сейчас мы можем контролировать поведение отдельных атомов, помещая их в специальные полупроводниковые структуры — это метод, используемый для формирования квантовых точек, содержащих одиночные магнитные ионы. До недавнего времени было известно всего два варианта таких конструкций.
Однако физики из Института экспериментальной физики на физическом факультете Варшавского университета (FUW) успешно создали и изучили два совершенно новых типа структур. Материалы и элементы, используемые в процессе, делают вполне вероятным, что солотронные устройства могут найти широкое распространение в будущем.
Результаты, только что опубликованные варшавскими физиками в Nature Communications, открывают путь для развития области солотроники.
"Квантовые точки — это кристаллы полупроводника в нанометровом масштабе.
Они настолько крошечные, что электроны внутри них существуют только в состояниях с определенными энергиями. Таким образом, квантовые точки обладают характеристиками, аналогичными атомам, и, как и атомы, их можно стимулировать светом для достижения более высоких уровней энергии.
И наоборот, это означает, что они излучают свет, когда возвращаются в состояния с более низкими уровнями энергии », — говорит проф. Петр Косацкий (FUW).
Лаборатория университета создает квантовые точки с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии.
Процесс заключается в прецизионном нагревании тиглей, содержащих элементы, помещенные в вакуумную камеру. Балки элементов наносятся на образец.
При тщательном выборе материалов и условий эксперимента атомы собираются в крошечные островки, известные как квантовые точки. Процесс похож на то, как водяной пар конденсируется на гидрофобной поверхности.
Пока точки оседают, небольшое количество других атомов (например, магнитных) может быть введено в вакуумную камеру, причем некоторые из них станут частью возникающих точек.
После удаления образца его можно исследовать под микроскопом для обнаружения квантовых точек, содержащих один магнитный атом в центре.
"Атомы с магнитными свойствами нарушают энергетические уровни электронов в квантовой точке, что влияет на их взаимодействие со светом.
В результате квантовая точка становится детектором такого состояния атома. Эта взаимосвязь работает и в обратном направлении: изменяя энергетические состояния электронов в квантовых точках, мы можем воздействовать на соответствующие магнитные атомы », — объясняет Михал Папай, студент физического факультета Университета штата Вашингтон, награжденный золотой медалью по химии на прошлогоднем национальном конкурсе. конкурс на лучшую B.Sc. защитил диссертацию в Институте физической химии Польской академии наук за работу о квантовых точках, содержащих одиночные ионы кобальта.
Наиболее сильные магнитные свойства наблюдаются у атомов марганца, лишенных двух электронов (Mn2 +). В проведенных до сих пор экспериментах ионы были помещены в квантовые точки из теллурида кадмия (CdTe) или арсенида индия (InAs).
Используя точки CdTe, подготовленные доктором. Петр Войнар из Института физики PAS, в 2009 году Матеуш Горица из Варшавского университета продемонстрировал первую магнитную память, работающую на одном магнитном ионе.
«Обычно считалось, что другие магнитные ионы, такие как кобальт (Co2 +), не могут использоваться в квантовых точках. Мы решили это проверить, и природа преподнесла нам приятный сюрприз: оказалось, что присутствие нового магнитного иона не нарушает свойств квантовой точки », — говорит Якуб Кобак, докторант Варшавского университета.
Исследователи из Варшавского университета представили две новые системы с одиночными магнитными ионами: квантовые точки CdTe с атомом кобальта и точки селенида кадмия (CdSe) с атомом марганца.
Как уже говорилось, атомы марганца проявляют самые мощные магнитные свойства.
К сожалению, они вызваны ядром атома, а также электронами, а это означает, что квантовые точки, содержащие ионы марганца, представляют собой сложные квантовые системы. Открытие, сделанное физиками из Варшавского университета, демонстрирует, что другие магнитные элементы, такие как хром, железо и никель, могут использоваться вместо марганца. Эти элементы не имеют ядерного спина, что должно облегчить манипулирование содержащими их квантовыми точками.
В квантовых точках, где теллур заменен более легким селеном, исследователи заметили, что продолжительность запоминания информации увеличивается на порядок.
Это открытие предполагает, что использование более легких элементов должно продлить время, в течение которого квантовые точки, содержащие одиночные магнитные ионы, хранят информацию, возможно, даже на несколько порядков.
«Мы продемонстрировали, что две квантовые системы, которые считались нежизнеспособными, на самом деле работали очень эффективно.
Это открывает широкое поле для наших поисков других, ранее отвергнутых комбинаций материалов для квантовых точек и магнитных ионов », — заключает доктор. Войцех Пацкий (FUW).
Исследование квантовых точек, содержащих одиночные магнитные ионы, финансировалось за счет грантов Польского национального научного центра и Польского национального центра исследований и разработок, а также проектных средств Центра доклинических исследований и технологий.
