O padrão moiré:Aqui, uma tela verde foi fotografada com uma câmera digital. Tanto o monitor quanto o chip semicondutor na câmera digital possuem uma grade regular de pixels. A superposição das duas grades e distorções mínimas na geração da imagem pelo sistema de lentes ópticas resultam em fortes artefatos de imagem. Crédito:Arne Ludwig
Os pontos quânticos poderão um dia constituir as unidades básicas de informação dos computadores quânticos. Em colaboração com colegas de Copenhague e Basel, pesquisadores da Ruhr-Universität Bochum (RUB) e da Universidade Técnica de Munique (TUM) melhoraram decisivamente o processo de fabricação dessas minúsculas estruturas semicondutoras. Os pontos quânticos são gerados em um wafer:um disco fino de cristal semicondutor. Até à data, a densidade de tais estruturas na bolacha tem sido difícil de controlar. Agora, os pesquisadores podem criar arranjos específicos de maneira direcionada – um passo importante em direção a um componente aplicável que deveria ter um grande número de pontos quânticos.
A equipe publicou suas descobertas em 28 de março de 2022 na revista
Nature Communications . O estudo foi conduzido por um grupo liderado por Nikolai Bart, Professor Andreas Wieck e Dr. Arne Ludwig da RUB Chair of Applied Solid State Physics em cooperação com a equipe liderada por Christian Dangel e Professor Jonathan Finley da TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems grupo de pesquisa e colegas das Universidades de Copenhague e Basel.
Como cogumelos na floresta Pontos quânticos são áreas estreitamente definidas em um semicondutor nas quais, por exemplo, um único elétron pode ser confinado. Isso pode ser manipulado de fora, por exemplo, com luz, para que as informações possam ser armazenadas no ponto quântico. Os pesquisadores de Bochum são especialistas na produção de pontos quânticos. Eles criam as estruturas em um wafer feito de um material semicondutor que é do tamanho de um porta-copos de cerveja. Os pontos quânticos têm um diâmetro de apenas cerca de 30 nanômetros.
"Nossos pontos quânticos costumavam crescer como cogumelos na floresta", como Andreas Wieck descreve a situação inicial. "Sabíamos que eles surgiriam em algum lugar da bolacha, mas não exatamente onde." Os pesquisadores então escolheram um cogumelo adequado na floresta para seus experimentos com os pontos quânticos.
Experiências preliminares de cultivo 
Medição de uma bolacha (círculo vermelho):A escala de cores mostra quanta luz os pontos quânticos na bolacha emitem em comprimentos de onda entre 1.000 e 1.300 nanômetros – quanto maior a emissão, maior a densidade de pontos quânticos. As linhas pontilhadas mostram a progressão semelhante a um tabuleiro de xadrez de altas densidades de pontos quânticos. Crédito:Nikolai Bart/Marcel Schmidt
Em vários experimentos preliminares, a equipe já havia tentado influenciar o crescimento dos pontos quânticos no wafer. Os físicos irradiaram o wafer em pontos individuais com íons focados, criando assim defeitos na rede cristalina do semicondutor. Atuando como núcleos de condensação, esses defeitos provocaram o crescimento de pontos quânticos. "Mas, assim como os cogumelos cultivados têm um sabor um pouco insosso, enquanto os cogumelos da floresta têm um gosto ótimo, os pontos quânticos criados dessa maneira não eram tão de alta qualidade quanto os pontos quânticos cultivados naturalmente", ilustra Andreas Wieck. Eles não irradiavam luz tão perfeitamente.
Portanto, a equipe prosseguiu com os pontos quânticos naturalmente crescidos. Para os experimentos, o wafer do tamanho de uma montanha-russa de cerveja foi cortado em pequenos retângulos milimétricos. Eles não podiam analisar a bolacha inteira de uma vez, porque a câmara de vácuo do aparelho RUB simplesmente não era grande o suficiente. No entanto, os pesquisadores observaram que alguns retângulos de wafer continham muitos pontos quânticos, enquanto outros continham poucos. "No início, não notamos nenhum sistema por trás disso", lembra Andreas Wieck - porque os pesquisadores nunca viram o quadro completo.
Pontos quânticos de alta qualidade Para explorar a questão em profundidade, a equipe de Bochum cooperou com seus colegas do TUM, que tinham um dispositivo de medição com uma câmara de amostra maior à sua disposição em um estágio inicial. Durante essas análises, o grupo descobriu que havia uma distribuição estranha de áreas com alta e baixa densidade de pontos quânticos no wafer. "As estruturas lembravam fortemente um padrão moiré que ocorre com frequência em imagens digitais. Logo tive a ideia de que deve ser realmente um padrão concêntrico, ou seja, anéis, e que eles podem ser vistos em correlação com o crescimento de nossos cristais", explica Arne Ludwig. Medições com resolução mais alta de fato mostraram que a densidade de pontos quânticos foi distribuída concentricamente. Posteriormente, os pesquisadores confirmaram que esse arranjo se devia ao processo de fabricação.
Na primeira etapa, o wafer é revestido com camadas atômicas adicionais. Devido à geometria do sistema de revestimento, isso cria estruturas em forma de anel que possuem uma camada atômica completa, ou seja, onde nenhum átomo está faltando em nenhum ponto da camada. Entre os anéis, áreas igualmente amplas são formadas que não possuem uma camada atômica completa e, portanto, têm uma superfície mais áspera porque faltam átomos individuais. Isso tem consequências para o crescimento dos pontos quânticos. "Para ficar com a imagem:em vez de em uma superfície de concreto, os cogumelos preferem crescer no chão da floresta, ou seja, nos pontos ásperos da bolacha", diz Andreas Wieck.
Os pesquisadores otimizaram o processo de revestimento para que as áreas ásperas aparecessem em intervalos regulares – de menos de um milímetro – no wafer e que os anéis se cruzassem. Isso resultou em um padrão quase semelhante a um tabuleiro de xadrez com pontos quânticos de alta qualidade, como demonstrado pelos pesquisadores de Basileia e Copenhague.
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