r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Polscy fizycy na tropie nowych kropek kwantowych: czas na pamięci z pojedynczych atomów

Strona główna AktualnościSPRZĘT

Każdy kolejny krok w miniaturyzacji elementów półprzewodnikowych jest coraz trudniejszy i coraz bardziej kosztowny – i wcale nie jest powiedziane, że to właśnie ograniczenia techniczne uniemożliwią w pewnym momencie Intelowi produkowanie czipów w procesach 10 nm i mniejszych. Może się okazać, że dalsza miniaturyzacja będzie po prostu zbyt droga do wdrożenia na skalę przemysłową. Podstawowym problemem jest tu ograniczanie zakłóceń wywoływanych przez efekty kwantowe. Tradycyjne układy elektroniczne, w których wykorzystuje się tylko jedną właściwość elektronu (ładunek elektryczny), po zmniejszeniu ich do rozmiarów mezoskopowych zaczynają się przekształcać w kwantowe układy elektroniczne. Elektrony zaczynają przejawiać swoją falową naturę, dochodzi między nimi do interferencji, i tak oto zminiaturyzowane czipy przestają działać. Podtrzymać ważności Prawa Moore'a, bez radykalnej zmiany technologicznej, już niebawem nie będzie się dało.

Obietnicę takiej właśnie zmiany przedstawili nam właśnie naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pracujący pod kierownictwem prof. Piotra Kossackiego. W opublikowanej na łamach Nature Communications pracy pt. Designing quantum dots for solotronics (można go znaleźć też na arXiv.org) przedstawiają oni metody tworzenia nowych rodzajów kropek kwantowych – nanoskopowych kryształów, w których elektrony przebywać mogą tylko w stanach o określonych energiach. Jak wyjaśnia prof. Kossacki, taka kropka ma podobne cechy co pojedynczy atom, i można ją pobudzać światłem do wyższych stanów energetycznych, obserwując później świecenie przy powrocie do stanów o niższej energii.

Fizycy tworzą swoje kropki kwantowe za pomocą procesu epitaksji z wiązek molekularnych (nanoszenia warstw krystalicznych o grubości pojedynczego atomu), w którym podgrzewane są tygle z pierwiastkami wprowadzonymi do komory próżniowej. Precyzyjne sterowanie temperaturą i dobranymi materiałami pozwala na stworzenie kropek o pożądanych właściwościach. Wprowadzając do komory pewną liczbę atomów o właściwościach magnetycznych, uzyskują kropki kwantowe zawierające w środku jeden, centralnie osadzony atom magnetyczny.

Atom taki zaburza stany energetyczne elektronów kropki kwantowej, co zmienia jej sposób oddziaływania ze światłem. Michał Papaj, student FUW i współautor artykułu, tłumaczy, że kropka działa wówczas jako detektor stanów atomu. Zależność tę można też odwrócić – zmiana stanów energetycznych elektronów w kropce wpływa na osadzony w niej atom.

Najsilniejsze właściwości magnetyczne mają kationy manganu (Mn2+) – i to właśnie z nich korzystając, polscy uczeni w 2009 roku stworzyli pierwszą na świecie pamięć magnetyczną z pojedynczym jonem. Kropkę kwantową wykonano tu z kryształu tellurku kadmu. Niestety jednak własności magnetyczne manganu biorą się nie tylko z elektronów, ale też z jądra atomowego, wskutek czego wykorzystująca go kropka jest skomplikowanym układem kwantowym, bardzo trudnym w kontrolowaniu.

Jednocześnie wśród fizyków panowało przekonanie, że potencjalnie łatwiejsze w kontroli kropki kwantowe, w których wykorzystane zostaną inne jony magnetyczne, nie będą działały. Wbrew temu przekonaniu badacze z FUW postanowili sprawdzić kropkę, w której wykorzystano kation kobaltu (Co2+). Okazało się, że nowy jon nie zepsuł właściwości kropki kwantowej. Odkrycie to dowodzić ma, że jako jony magnetyczne można byłoby wykorzystywać także takie pierwiastki jak nikiel, chrom czy żelazo, pozbawione spinu jądrowego i przez to łatwiejsze do kontrolowania.

Polscy fizycy zbudowali też kropkę kwantową ze znanym już jonem manganu, ale osadzonym w krysztale selenku kadmu. Zastąpienie cięższego pierwiastka (telluru) lżejszym doprowadziło do wydłużenia o rząd wielkości czasu pamiętania zapisanej informacji. Badacze są przekonani, że w ten sposób czas przechowywania informacji w pamięciach na kropkach kwantowych mógłby zostać wydłużony nawet o kilka rzędów wielkości.

Dr Wojciech Pacuski z FUW podkreśla, że udało się pokazać, że dwa układy kwantowe, które według powszechnego przekonania nie powinny działać, działają bardzo dobrze. To otwiera drogę do dalszych badań nad innymi, odrzucanymi dotąd kombinacjami kryształów i jonów, w wyniku których będzie można tworzyć kropki kwantowe o jeszcze bardziej atrakcyjnych z punktu widzenia zastosowań przemysłowych właściwościach.

Badania udało się zrealizować dzięki grantom Narodowego Centrum Nauki, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Centrum Badań Przedklinicznych i Technologii.

r   e   k   l   a   m   a
© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.