REM-Aufnahmen von magnetischen Quantenpunkten in zwei Größen in verschiedenen Stadien der Herstellung. (a), (b) Seitenansichten von Säulen zeigen; (c), (d) Draufsichten auf Säulen zeigen, die mit einem Isolator bedeckt und mit einer Gateelektrode versehen sind; (e), (f) Seitenansichten von Säulen nach dem Trockenätzen des Isolators vom oberen Kontakt zeigen; und (g), (h) Seitenansichten von Säulen zeigen, die von einer Luftbrücke in der Endvorrichtung kontaktiert werden. Bildnachweis: RG Dengel et al. © 2012 IOP Publishing Ltd

(Phys.org) - Quantenpunkte sind Halbleiterkristalle, die ein paar hundert Atome enthalten, die auf einen so kleinen Raum beschränkt sind, dass sie als nulldimensionale Objekte betrachtet werden, die oft als "künstliche Atome" bezeichnet werden. Forscher haben Quantenpunkte aus verschiedenen Materialien und Größen hergestellt. Jetzt haben Wissenschaftler in einer neuen Studie gezeigt, wie einzelne magnetische Quantenpunkte mit Säulendurchmessern von nur 250 nm hergestellt werden können, dem kleinsten Punkt dieses Typs, über den bisher berichtet wurde.

Die Forscher unter der Leitung von Charles Gould, Postdoktorand an der Universität Würzburg, haben ihre Studie zur Herstellung magnetischer Quantenpunkte in einer aktuellen Ausgabe der Nanotechnologie veröffentlicht .

"Dies sind nicht die ersten magnetischen Quantenpunkte, da magnetische Quantenpunkte zuvor durch Techniken wie Selbstorganisation hergestellt wurden", sagte Gould gegenüber Phys.org . Diese früheren Techniken erlauben es, eine Sammlung von vielen Millionen von Quantenpunkten gleichzeitig zu studieren, erlauben jedoch nicht das Studium einzelner Punkte. Da alle Punkte in der Sammlung geringfügig unterschiedlich sind, ist es im Wesentlichen unmöglich, dies zu tun extrahieren Eigenschaften der einzelnen Punkte. Unsere Methode ermöglicht zum ersten Mal die Herstellung und Untersuchung eines einzelnen magnetischen künstlichen Atoms. "

Wie die Forscher erklären, haben Quantenpunkte üblicherweise eine von zwei Geometrien: lateral (definiert durch zwei nebeneinander angeordnete Tore) oder vertikal (gebildet aus einer Säule in einer Quantenquelle). Während es unklar ist, wie ein lateraler Quantenpunkt magnetisch gemacht werden kann, kann ein vertikaler Punkt theoretisch magnetisch gemacht werden, indem der Quantentopf mit Mangan dotiert wird, um ihm magnetische Eigenschaften zu verleihen. In der Realität sieht sich diese Idee jedoch mehreren technischen Herausforderungen gegenüber, z. B. der Notwendigkeit tiefer Gräben, einer isolierenden Beschichtung auf der Säule und einer präzisen Ausrichtung der Komponenten.

In dieser Studie haben die Forscher diese Herausforderungen bei der Herstellung durch die Entwicklung eines mehrstufigen Prozesses bewältigt, bei dem mithilfe der Elektronenstrahllithographie die tiefen Gräben herausgearbeitet, die Säule mit einem isolierenden Gate umgeben und die elektrischen Kontakte definiert werden. Wie Gould erklärte, beinhaltete die Überwindung der technischen Herausforderungen Verbesserungen in mehreren Bereichen.

"Es ist schwierig, auf ein Schlüsselelement der Verbesserung hinzuweisen, da es sich um eine ziemlich umfangreiche lithografische Entwicklung handelte, die viele individuelle Verbesserungen bestehender Ideen im Gegensatz zu einem magischen Durchbruchsmoment beinhaltete", sagte er. "Sicher ist die Identifizierung des richtigen Materialstapels, mit dem gearbeitet werden soll, ein wichtiges Element. Die Arbeit mit diesen weniger bekannten Materialien hat jedoch den Nachteil, dass ein Großteil der Lithografietechniken angepasst werden musste, was zahlreiche Herausforderungen mit sich brachte, die bewältigt werden mussten Einer nach dem anderen."

Um die Geräte zu testen, kühlten die Forscher sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab und zeigten, dass sich die Leitfähigkeit der Quantenpunkte als Reaktion auf eine angelegte Spannung ändert, was darauf hinweist, dass die Geräte funktionsfähig sind. Tests haben auch gezeigt, dass die Energieniveaus der Quantenpunkte ein umgebendes Magnetfeld beeinflussen, was einen Riesenparamagnetismus zeigt - eine bestimmte Art von Paramagnetismus, der, wie der Name schon sagt, viel stärker ist als der typischere Paramagnetismus, der in Metallverbindungen beobachtet wird.

"Die in der Arbeit vorgestellten Tests haben bestätigt, dass wir ein magnetisches künstliches Atom gebaut haben, mehr noch nicht", sagte Gould. "Die Bestätigung liegt in der Tatsache, dass die Magnetfeldentwicklung der atomaren Quantenzustände eindeutig einem Brillouin-ähnlichen Verhalten folgt, das für den Riesenparamagnetismus charakteristisch ist. Was noch getan werden muss, ist eine vollständige spektroskopische Untersuchung solcher Punkte. Diese Art von In den 1990er und frühen 2000er Jahren wurde intensiv an nichtmagnetischen Punkten gearbeitet, und im Wesentlichen können alle diese Experimente nun an den magnetischen Punkten wiederholt werden. "

Wie Gould erklärte, haben magnetische Quantenpunkte nur begrenzte praktische Anwendungen, aber die Ergebnisse könnten zu zukünftigen Studien über nulldimensionale magnetische Objekte und zu einem besseren Verständnis der realen Atome führen.

"Ich kann mehrere Anwendungen auflisten, die eine mögliche Verwendung im Bereich des Quantencomputers beinhalten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass auch diese" Anwendungen "außerhalb eines Forschungslabors oder einer staatlichen Einrichtung jemals das Licht der Welt erblicken", sagte Gould. "Der Grund dafür ist, dass die Art von Gerät, die wir hier beschreiben, aus ziemlich grundlegenden Gründen auf den Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen von unter einigen Kelvin beschränkt ist. Die Schaffung einer solchen Umgebung erfordert eine sperrige und teure Infrastruktur, die wahrscheinlich jegliche ausschließt zukünftige Tischanwendungen.

"Um zu verstehen, warum diese Ergebnisse wichtig sind, ist es meiner Meinung nach viel interessanter, die Bedeutung zu verstehen, die sie für die Erforschung der Eigenschaften realer Atome haben. Diese künstlichen Atome haben viele Eigenschaften, die den realen Atomen qualitativ ähnlich sind, und sind es daher Sehr nützlich als Modellsysteme bei der Untersuchung von realen Atomen. Darüber hinaus sind die quantitativen Unterschiede in einigen Fällen sehr vorteilhaft. Als einfaches Beispiel können wir den Singulett-Triplett-Übergang eines Heliumatoms betrachten. Dies ist ein Übergang, wenn In Abhängigkeit von einem Magnetfeld ordnen sich die beiden Elektronen im Atom, die normalerweise einen entgegengesetzten Spin haben, in einen parallelen Spin um. In einem realen Atom geschieht dies bei Feldern von fast einer Million Tesla, die nur in so etwas wie einem Neutron existieren Ein solches Feld ist auf der Erde absolut unmöglich zu erzeugen, so dass keine experimentelle Untersuchung dieses Übergangs durchgeführt werden kann. Andererseits kann derselbe Übergang in einem künstlichen Atom so entworfen werden, dass er bei fie stattfindet lds von ein paar Tesla, die routinemäßig in fast jedem Labor erstellt werden können. "