Факультетом физики Университета Варшавы (Польша) были созданы и изучены новые виды одноатомных электронных структур, включая первые в мире квантовые точки, содержащие отдельные ионы кобальта. Материалы и элементы, используемые для создания этих структур, позволяют говорить о новых трендах всолотроники, области экспериментальной электроники и спинтроники будущего, которая основана на операциях на одноатомном уровне.

Появление электронных систем, действующих на уровне отдельных атомов, представляется закономерным последствием попыток достичь максимальной миниатюризации. Уже известно, что мы можем контролировать поведение отдельных атомов, помещая их в специальные полупроводниковые структуры. Тот же метод используется для создания квантовых точек, содержащих отдельные магнитные ионы. До настоящего времени было известно лишь два вида таких структур. Однако физикам из Института экспериментальной физики и факультета физики Университета Варшавы удалось создать и изучить два совершенно новых типа структур. Материалы и элементы, используемые в данном процессе, делают широкое распространение солотронных устройств в будущем весьма вероятным.

Результаты, опубликованные физиками в журнале Nature Communications, делают первые шаги в развитии области солотроники.

«Квантовые точки представляют собой полупроводниковые наноразмерные кристаллы. Они так малы, что электроны внутри них могут существовать лишь в состояниях с очень специфической энергией. Поэтому квантовые точки обладают схожими с атомом характеристиками и так же, как и атомы, могут достичь более высоких энергетических уровней при стимуляции светом. И напротив, это значит, что точки излучают свет в процессе возвращения на более низкие энергетические уровни», – говорит профессор Петр Коссацки (Piotr Kossacki).

Лаборатория Университета Варшавы создает квантовые точки при помощи молекулярно-пучковой эпитаксии. Процесс включает в себя использование тиглей с точной температурой нагрева, содержащих элементы в вакуумной камере. Пучки элементов направляются на образец. С учетом точно подобранных материалов и экспериментальных условий атомы собираются в маленькие островки, известные как квантовые точки.

Процесс напоминает конденсацию водяного пара на гидрофобной поверхности.

Во время образования квантовых точек незначительное число других атомов (к примеру, атомов магнитов) может быть помещено в вакуумную камеру, так что некоторые из них включаются в образующиеся точки. После удаления образца его можно изучить под микроскопом для обнаружения квантовых точек, содержащих отдельных магнитный атом в центре.

«Атомы с магнитными свойствами разрывают энергетические уровни электронов в квантовых точках, что влияет на их взаимодействие со светом. В результате состояние квантовой точки говорит о состоянии этого атома. И напротив: посредством изменения энергетического состояния электронов в квантовых точках мы можем повлиять на соответствующие магнитные атомы», – объясняет Михаль Папаж (Michał Papaj), студент факультета физики Университета Варшавы, которого Институт физической химии Польской академии наук наградил золотой медалью в области химии в рамках выпускного национального конкурса на лучшую бакалаврскую работу за его исследование по квантовым точкам, содержащим ион кобальта.

Наиболее высокими магнитными показателями обладают атомы мангана, лишенные двух электронов (Mn2+).

В рамках проведенных экспериментов ионы помещались в квантовые точки, сделанные из теллурида кадмия (CdTe) или арсенида индия (InAs). При помощи содержащих CdTe точек, созданных доктором Петром Вожнаром (Piotr Wojnar) из Института физики Польской академии наук, в 2009 году Матеуш Горица (Mateusz Goryca) из Университета Варшавы разработал первое магнитное запоминающее устройство, функционирующее на отдельном магнитном ионе.

«Ранее считалось, что другие магнитные ионы, такие как кобальт (Co2+), не могут использоваться в квантовых точках. Мы решили проверить это, и природа сделала нам приятным сюрприз: присутствие другого магнитного иона не разрушило свойства квантовой точки», – говорит Якуб Кобак (Jakub Kobak), докторант из Университета Варшавы.

Исследователи из Университета Варшавы представили две новые системы с отдельными магнитными ионами – квантовые точки из CdTe с атомами кобальта и из селенида кадмия (CdSe) с атомами мангана.

Как уже было сказано, атомы мангана обладают наиболее сильными магнитными свойствами.

К сожалению, такие свойства связаны как с электронами, так и с ядром атома, что означает, что квантовые точки с ионами мангана представляют собой сложные квантовые системы.

Открытие, сделанное физиками из Университета Варшавы, продемонстрировало, что другие магниты, такие как хром, железо, никель, могут использоваться вместо мангана. Эти элементы не обладают ядерным спином, что означает, что квантовыми точками, включающими эти элементы, проще управлять.

Относительно квантовых точек, в которых теллур заменен на более легкий селен, ученые заметили, что продолжительность сохранения информации увеличилось на порядок.

Этот факт говорит о том, что использование более легких элементов должно увеличить продолжительность хранения информации квантовыми точками, содержащими отдельный магнитный ион. Возможно, что это позволит увеличить срок хранения на несколько порядков.

«Мы доказали, что две квантовые системы, которые считались нежизнеспособными, в действительности функционировали довольно эффективно. Это открытие позволяет начать поиски других материалов для создания квантовых точек и магнитных ионов, использование которых раньше представлялось невозможным», – подводит итог доктор Войчек Пацуски (Wojciech Pacuski).