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

Każdy kolejny krok w miniaturyzacji elementów półprzewodnikowychjest coraz trudniejszy i coraz bardziej kosztowny – i wcale niejest powiedziane, że to właśnie ograniczenia techniczne uniemożliwiąw pewnym momencie Intelowi produkowanie czipów w procesach 10 nm imniejszych. Może się okazać, że dalsza miniaturyzacja będzie poprostu zbyt droga do wdrożenia na skalę przemysłową. Podstawowymproblemem jest tu ograniczanie zakłóceń wywoływanych przez efektykwantowe. Tradycyjne układy elektroniczne, w których wykorzystuje siętylko jedną właściwość elektronu (ładunek elektryczny), pozmniejszeniu ich do rozmiarów mezoskopowych zaczynają sięprzekształcać w kwantowe układy elektroniczne. Elektrony zaczynająprzejawiać swoją falową naturę, dochodzi między nimi dointerferencji, i tak oto zminiaturyzowane czipy przestają działać.Podtrzymać ważności Prawa Moore'a, bez radykalnej zmianytechnologicznej, już niebawem nie będzie się dało.Obietnicę takiej właśnie zmiany przedstawili nam właśnie naukowcyz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pracujący podkierownictwem prof. Piotra Kossackiego. W opublikowanej na łamachNature Communications pracy pt. Designing quantum dots forsolotronics (można go znaleźć też naarXiv.org) przedstawiają oni metody tworzenia nowych rodzajówkropek kwantowych – nanoskopowych kryształów, w którychelektrony przebywać mogą tylko w stanach o określonych energiach. Jakwyjaśnia prof. Kossacki, taka kropka ma podobne cechy co pojedynczyatom, i można ją pobudzać światłem do wyższych stanów energetycznych,obserwując później świecenie przy powrocie do stanów o niższejenergii.Fizycy tworzą swoje kropki kwantowe za pomocą procesu epitaksji związek molekularnych (nanoszenia warstw krystalicznych o grubościpojedynczego atomu), w którym podgrzewane są tygle z pierwiastkamiwprowadzonymi do komory próżniowej. Precyzyjne sterowanie temperaturąi dobranymi materiałami pozwala na stworzenie kropek o pożądanychwłaściwościach. Wprowadzając do komory pewną liczbę atomów owłaściwościach magnetycznych, uzyskują kropki kwantowe zawierające wśrodku 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 wówczasjako detektor stanów atomu. Zależność tę można też odwrócić –zmiana stanów energetycznych elektronów w kropce wpływa na osadzony wniej atom. [img=solotronika1]Najsilniejsze właściwości magnetyczne mają kationy manganu (Mn2+)– i to właśnie z nich korzystając, polscy uczeni w 2009 rokustworzyli pierwszą na świecie pamięć magnetyczną z pojedynczym jonem.Kropkę kwantową wykonano tu z kryształu tellurku kadmu. Niestetyjednak własności magnetyczne manganu biorą się nie tylko zelektronów, ale też z jądra atomowego, wskutek czego wykorzystującago kropka jest skomplikowanym układem kwantowym, bardzo trudnym wkontrolowaniu.Jednocześnie wśród fizyków panowało przekonanie, że potencjalniełatwiejsze w kontroli kropki kwantowe, w których wykorzystane zostanąinne jony magnetyczne, nie będą działały. Wbrew temu przekonaniubadacze z FUW postanowili sprawdzić kropkę, w której wykorzystanokation kobaltu (Co2+). Okazało się, że nowy jon nie zepsułwłaściwości kropki kwantowej. Odkrycie to dowodzić ma, że jako jonymagnetyczne można byłoby wykorzystywać także takie pierwiastki jaknikiel, chrom czy żelazo, pozbawione spinu jądrowego i przez tołatwiejsze do kontrolowania.Polscy fizycy zbudowali też kropkę kwantową ze znanym już jonemmanganu, ale osadzonym w krysztale selenku kadmu. Zastąpieniecięższego pierwiastka (telluru) lżejszym doprowadziło do wydłużenia orząd wielkości czasu pamiętania zapisanej informacji. Badacze sąprzekonani, że w ten sposób czas przechowywania informacji wpamięciach na kropkach kwantowych mógłby zostać wydłużony nawet okilka rzędów wielkości. [img=fuw-lab]Dr Wojciech Pacuski z FUW podkreśla, że udało się pokazać, że dwaukłady kwantowe, które według powszechnego przekonania nie powinnydziałać, działają bardzo dobrze. To otwiera drogę do dalszych badańnad innymi, odrzucanymi dotąd kombinacjami kryształów i jonów, wwyniku których będzie można tworzyć kropki kwantowe o jeszczebardziej atrakcyjnych z punktu widzenia zastosowań przemysłowychwłaściwościach.Badania udało się zrealizować dzięki grantom Narodowego CentrumNauki, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Centrum BadańPrzedklinicznych i Technologii.