Novos tipos de estruturas solotrônicas, incluindo os primeiros pontos quânticos do mundo contendo íons de cobalto simples, foram criados e estudados na Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia. Os materiais e elementos usados ​​para formar essas estruturas nos permitem prever novas tendências na solotrônica - um campo da eletrônica experimental e spintrônica do futuro, com base em operações que ocorrem em um nível de um único átomo.

Os sistemas eletrônicos operando no nível de átomos individuais parecem ser a consequência natural dos esforços para alcançar uma miniaturização cada vez maior. Já agora, somos capazes de controlar o comportamento de átomos individuais, situando-os dentro de estruturas semicondutoras especiais - este é o método usado para formar pontos quânticos que contêm íons magnéticos únicos. Até recentemente, apenas duas variantes de tais estruturas eram conhecidas. Contudo, físicos do Instituto de Física Experimental da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia (FUW) criaram e estudaram com sucesso dois tipos completamente novos de estruturas. Os materiais e elementos usados ​​no processo tornam totalmente provável que os dispositivos solotronic possam ser amplamente utilizados no futuro.

Os resultados, os físicos de Varsóvia acabam de publicar em Nature Communications , pavimentar o caminho para o desenvolvimento do campo da solotrônica.

"Os pontos quânticos são cristais semicondutores em escala nanométrica. Eles são tão minúsculos que os elétrons dentro deles existem apenas em estados com energias específicas. Como tal, pontos quânticos exibem características semelhantes aos átomos, e - assim como os átomos - podem ser estimulados com luz para atingir níveis de energia mais elevados. Por outro lado, isso significa que eles emitem luz à medida que retornam a estados com níveis de energia mais baixos, "diz o Prof. Piotr Kossacki.

O laboratório da Universidade cria pontos quânticos usando epitaxia de feixe molecular. O processo envolve cadinhos de aquecimento de precisão contendo elementos colocados em uma câmara de vácuo. Vigas de elementos são depositadas na amostra. Selecionando cuidadosamente os materiais e as condições experimentais, os átomos se reúnem em pequenas ilhas, conhecido como pontos quânticos. O processo é semelhante a como o vapor de água se condensa em uma superfície hidrofóbica.

Enquanto os pontos assentam, uma pequena quantidade de outros átomos (por exemplo, magnéticos) pode ser introduzida na câmara de vácuo, com alguns se tornando parte dos pontos emergentes. Assim que a amostra for removida, pode ser examinado ao microscópio para detectar pontos quânticos contendo um único átomo magnético no centro.

"Os átomos com propriedades magnéticas perturbam os níveis de energia dos elétrons em um ponto quântico, o que afeta como eles interagem com a luz. Como resultado, o ponto quântico torna-se um detector do estado de tal átomo. A relação também funciona de outra maneira:mudando os estados de energia dos elétrons em pontos quânticos, podemos afetar os respectivos átomos magnéticos, "explica Michał Papaj, estudante da Faculdade de Física da UW, recebeu a Medalha de Ouro em Química durante a competição nacional do ano passado para o melhor B.Sc. tese apresentada pelo Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências por seu trabalho sobre pontos quânticos contendo íons de cobalto simples.

As propriedades magnéticas mais poderosas são observadas em átomos de manganês despojados de dois elétrons (Mn2 +). Em experimentos conduzidos até agora, os íons foram montados em pontos quânticos feitos de telureto de cádmio (CdTe) ou arseneto de índio (InAs). Usando pontos CdTe preparados pelo Dr. Piotr Wojnar no PAS Institute of Physics, em 2009, Mateusz Goryca, da Universidade de Varsóvia, demonstrou a primeira memória magnética operando com um único íon magnético.

"Era comum acreditar que outros íons magnéticos, como cobalto (Co ²⁺ ), não pode ser usado em pontos quânticos. Decidimos verificar isso, e a natureza nos deu uma agradável surpresa:a presença de um novo íon magnético acabou por não destruir as propriedades do ponto quântico, "diz Jakub Kobak, estudante de doutorado na Universidade de Varsóvia.

Pesquisadores da Universidade de Varsóvia apresentaram dois novos sistemas com íons magnéticos únicos:pontos quânticos CdTe com um átomo de cobalto, e pontos de seleneto de cádmio (CdSe) com um átomo de manganês.

Como já foi dito, átomos de manganês exibem as propriedades magnéticas mais poderosas. Infelizmente, eles são causados ​​pelo núcleo atômico, bem como pelos elétrons, o que significa que os pontos quânticos contendo íons de manganês são sistemas quânticos complexos. A descoberta feita por físicos da Universidade de Varsóvia demonstra que outros elementos magnéticos - como o cromo, ferro e níquel - podem ser usados ​​no lugar do manganês. Esses elementos não têm spin nuclear, o que deve tornar os pontos quânticos que os contêm mais fáceis de manipular.

Em pontos quânticos onde o telúrio é substituído pelo selênio mais leve, os pesquisadores observaram que a duração da lembrança das informações aumentou em uma ordem de magnitude. Esta descoberta sugere que o uso de elementos mais leves deve prolongar o tempo de pontos quânticos contendo informações de armazenamento de íons magnéticos únicos, talvez até em várias ordens de magnitude.

"Demonstramos que dois sistemas quânticos que se acreditava não serem viáveis ​​de fato funcionaram de forma muito eficaz. Isso abre um amplo campo em nossa busca por outros, combinações de materiais anteriormente rejeitadas para pontos quânticos e íons magnéticos, "conclui o Dr. Wojciech Pacuski.