(Phys.org)—I punti quantici sono cristalli semiconduttori che contengono poche centinaia di atomi vincolati in uno spazio così piccolo che sono considerati oggetti a dimensione zero, spesso chiamati "atomi artificiali". I ricercatori hanno fabbricato punti quantici fatti di vari materiali e dimensioni. Ora in un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato come fabbricare punti quantici magnetici individuali con diametri dei pilastri fino a 250 nm, il punto più piccolo di questo tipo segnalato fino ad oggi.

I ricercatori, guidato da Charles Gould, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Würzburg, hanno pubblicato il loro studio sulla fabbricazione di punti quantici magnetici in un recente numero di Nanotecnologia .

"Questi non sono i primi punti quantici magnetici, poiché i punti quantici magnetici sono stati precedentemente realizzati con tecniche come l'autoassemblaggio, "Gould ha detto Phys.org . "Queste tecniche precedenti consentono di studiare una raccolta di molti milioni di punti quantici alla volta, ma non consentono lo studio dei singoli punti. Come tale, poiché tutti i punti nella raccolta sono leggermente diversi, è essenzialmente impossibile estrarre le proprietà dei singoli punti. Il nostro metodo, per la prima volta, permette la produzione e lo studio di un singolo atomo artificiale magnetico."

Come spiegano i ricercatori, i punti quantici hanno comunemente una delle due geometrie:laterale (definita da due porte affiancate) o verticale (formata da un pilastro in un pozzo quantico). Anche se non è chiaro come rendere magnetico un punto quantico laterale, un punto verticale può teoricamente essere reso magnetico drogando il pozzo quantico con manganese per conferirgli proprietà magnetiche. Però, in realtà questa idea affronta diverse sfide tecniche, come la necessità di trincee profonde, un rivestimento isolante sul pilastro, e preciso allineamento dei componenti.

In questo studio, i ricercatori hanno superato queste sfide di fabbricazione sviluppando un processo in più fasi che utilizza la litografia a fascio di elettroni per scavare le trincee profonde, circondare il pilastro con un cancello isolante, e definire i contatti elettrici. Come ha spiegato Gould, il superamento delle sfide tecniche ha comportato miglioramenti in diverse aree.

"È difficile indicare un elemento chiave di miglioramento, poiché si trattava di uno sviluppo litografico piuttosto esteso che ha comportato molti miglioramenti individuali alle idee esistenti, al contrario di un magico momento di svolta, " ha detto. "Certamente l'identificazione della giusta pila di materiale con cui lavorare è un elemento importante. Lavorando con questi materiali meno conosciuti, però, ha lo svantaggio che molte delle tecniche litografiche dovevano essere adattate, che ha fornito molteplici sfide che dovevano essere superate una per una."

Per testare i dispositivi, i ricercatori li hanno raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e hanno dimostrato che la conduttività dei punti quantici cambia in risposta a una tensione applicata, indicando che i dispositivi sono funzionanti. I test hanno anche mostrato che i livelli di energia dei punti quantici influenzano un campo magnetico circostante, dimostrando paramagnetismo gigante - un particolare tipo di paramagnetismo che, come il nome suggerisce, è molto più forte del paramagnetismo più tipico visto nei composti metallici.

"I test presentati nel documento hanno confermato che abbiamo costruito un atomo artificiale magnetico, niente di più in questa fase, " Disse Gould. "La conferma sta nel fatto che l'evoluzione del campo magnetico degli stati quantistici atomici segue chiaramente un comportamento simile a Brillouin, caratteristica del paramagnetismo gigante. Ciò che resta da fare è uno studio spettroscopico completo di tali punti. Questo tipo di lavoro è stato svolto ampiamente su punti non magnetici negli anni '90 e nei primi anni 2000, e in sostanza tutti questi esperimenti possono ora essere ripetuti sui punti magnetici."

Come ha spiegato Gould, i punti quantici magnetici hanno applicazioni pratiche limitate, ma i risultati potrebbero portare a studi futuri su oggetti magnetici a dimensione zero e una migliore comprensione degli atomi reali.

"Posso elencare diverse applicazioni che implicano possibili usi nell'informatica quantistica; tuttavia, è improbabile che anche queste "applicazioni" vedano la luce del giorno al di fuori di un laboratorio di ricerca o di un'istituzione governativa, " ha detto Gould. "Il motivo è che il tipo di dispositivo che stiamo descrivendo qui è, per ragioni piuttosto fondamentali, limitato al funzionamento a temperature ultrabasse inferiori a pochi Kelvin. La creazione di un tale ambiente richiede un'infrastruttura ingombrante e costosa che probabilmente esclude qualsiasi futura applicazione da tavolo.

"Molto più interessante, secondo me, capire perché questi risultati sono importanti, è capire il significato che ha per la ricerca sulle proprietà degli atomi reali. Questi atomi artificiali hanno molte proprietà che sono qualitativamente simili agli atomi reali, e quindi sono molto utili come sistemi modello nello studio degli atomi reali. Inoltre, le differenze quantitative sono in alcuni casi molto vantaggiose. Come semplice esempio, possiamo considerare la transizione 'singolo-tripletta' di un atomo di elio. Questa è una transizione quando, in funzione di un campo magnetico, i due elettroni nell'atomo, che normalmente hanno spin opposto, riorganizzare per avere spin parallelo. In un vero atomo, questo accade in campi di quasi un milione di Tesla, che esistono solo in qualcosa come una stella di neutroni. Un tale campo è completamente impossibile da creare sulla terra, e quindi nessuno studio sperimentale di questa transizione può essere effettuato. D'altra parte, la stessa transizione in un atomo artificiale può essere progettata per verificarsi a campi di un paio di Tesla, che può essere generato regolarmente in quasi tutti i laboratori."

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