Figura 1:Estrutura de um transistor com base em um ponto quântico. Um por vez, elétrons fluem da fonte para o dreno através do ponto quântico, dependendo do potencial do eletrodo da porta. As propriedades de tal transistor são fortemente afetadas pela presença de pontos quânticos perdidos no canal do transistor.
Os transistores são um dos dispositivos mais importantes da eletrônica e estão no coração da computação moderna. A miniaturização progressiva dos transistores está se aproximando rapidamente da escala atômica, onde até mesmo a menor imperfeição pode ter um efeito significativo no desempenho. Keiji Ono e colegas do Laboratório de Física de Baixa Temperatura RIKEN desenvolveram agora um método para medir as características operacionais de transistores de 'ponto quântico' de átomo único sem a influência de imperfeições circundantes.
Quando um material puro é implantado com átomos isolados de outro elemento, o átomo de impureza pode se comportar como um ponto quântico, com propriedades bastante diferentes de sua matriz hospedeira. Os pontos quânticos podem formar a base da operação do transistor - ligando ou desligando uma saída, dependendo do estado de uma entrada - e pode facilitar o transporte de elétrons através do transistor, mesmo quando o transporte de elétrons através do material circundante, geralmente silício, está bloqueado. Nesta configuração, enquanto todos os elétrons passam pelo ponto quântico, eles podem fazer isso apenas um de cada vez. Isso torna as propriedades físicas quânticas dos pontos quânticos dominantes na operação do transistor, produzindo uma forma de diamante característica na relação corrente-tensão medida.
Transporte de um elétron através do transistor, Contudo, é muito sensível a perturbações externas. Impurezas em outras partes do transistor podem causar campos elétricos dispersos que agem como pontos quânticos e, portanto, influenciam o comportamento elétrico do transistor e a aparência da forma de diamante nas curvas elétricas.
Para combater esses efeitos, Ono e seus colegas desenvolveram uma técnica de medição que lhes permite quantificar os efeitos desses pontos quânticos 'perdidos' de modo que as verdadeiras propriedades do ponto quântico principal possam ser isoladas. O método é baseado em medições do desempenho do transistor em várias tensões elétricas, que são analisados usando um modelo de transporte de elétrons que incorpora os efeitos elétricos de pontos quânticos perdidos. Entre muitos usos, esta informação ajuda os pesquisadores a entender quais tensões precisam ser aplicadas aos transistores para otimizar o regime de transporte de um elétron.
Embora as propriedades quânticas do transporte de elétrons através dos transistores de pontos quânticos apareçam apenas em baixas temperaturas, compreender os processos envolvidos também é importante para a otimização de transistores regulares em temperatura ambiente, que são conhecidos por serem afetados pela presença de defeitos únicos no canal do transistor, diz Ono. "Nós sabemos muito sobre pontos quânticos. Aplicar a física de pontos quânticos a transistores comerciais é desafiador, mas pode ter implicações muito úteis."
