Il motivo moiré:qui, uno schermo verde è stato fotografato con una fotocamera digitale. Sia il monitor che il chip a semiconduttore nella fotocamera digitale hanno una griglia di pixel regolare. La sovrapposizione delle due griglie e le distorsioni minime nella generazione dell'immagine da parte del sistema di lenti ottiche provocano forti artefatti dell'immagine. Credito:Arne Ludwig
I punti quantici potrebbero un giorno costituire le unità informative di base dei computer quantistici. In collaborazione con i colleghi di Copenaghen e Basilea, i ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) e dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno decisamente migliorato il processo di produzione di queste minuscole strutture a semiconduttore. I punti quantici sono generati su un wafer:un sottile disco di cristallo semiconduttore. Ad oggi, la densità di tali strutture sul wafer è stata difficile da controllare. Ora, i ricercatori possono creare disposizioni specifiche in modo mirato, un passo importante verso un componente applicabile che dovrebbe avere un gran numero di punti quantici.
Il team ha pubblicato i suoi risultati il 28 marzo 2022 sulla rivista Nature Communications . Lo studio è stato condotto da un gruppo guidato da Nikolai Bart, dal professor Andreas Wieck e dal dottor Arne Ludwig della cattedra di Fisica dello stato solido RUB in collaborazione con il team guidato da Christian Dangel e dal professor Jonathan Finley del TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems gruppo di ricerca e colleghi delle Università di Copenaghen e Basilea.
Come i funghi nella foresta
I punti quantici sono aree strettamente definite in un semiconduttore in cui, ad esempio, può essere confinato un singolo elettrone. Questo può essere manipolato dall'esterno, ad esempio con la luce, in modo che le informazioni possano essere archiviate nel punto quantico. I ricercatori di Bochum sono esperti nella produzione di punti quantici. Creano le strutture su un wafer fatto di un materiale semiconduttore delle dimensioni di un sottobicchiere di birra. I punti quantici hanno un diametro di soli 30 nanometri circa.
"I nostri punti quantici crescevano come funghi nella foresta", come descrive Andreas Wieck nella situazione iniziale. "Sapevamo che sarebbero emersi da qualche parte sul wafer, ma non esattamente dove". I ricercatori hanno quindi scelto un fungo adatto nella foresta per i loro esperimenti con i punti quantici.
Esperimenti preliminari di coltivazione
Misurazione di un wafer (cerchio rosso):la scala dei colori mostra quanta luce i punti quantici sul wafer emettono a lunghezze d'onda comprese tra 1.000 e 1.300 nanometri:maggiore è l'emissione, maggiore è la densità dei punti quantici. Le linee tratteggiate mostrano la progressione simile a una scacchiera di densità di punti quantici elevati. Credito:Nikolai Bart/Marcel Schmidt
In una serie di esperimenti preliminari, il team aveva già cercato di influenzare la crescita dei punti quantici sul wafer. I fisici avevano irradiato il wafer in singoli punti con ioni focalizzati, creando così difetti nel reticolo cristallino del semiconduttore. Agendo come nuclei di condensazione, questi difetti hanno provocato la crescita di punti quantici. "Ma proprio come i funghi coltivati hanno un sapore un po' insipido mentre i funghi di bosco hanno un ottimo sapore, i punti quantici creati in questo modo non erano di alta qualità come i punti quantici cresciuti naturalmente", illustra Andreas Wieck. Non irradiavano la luce in modo così perfetto.
Pertanto, il team ha proceduto con i punti quantici cresciuti naturalmente. Per gli esperimenti, il wafer delle dimensioni di un sottobicchiere di birra è stato tagliato in rettangoli di dimensioni millimetriche. Non potevano analizzare l'intero wafer in una volta, perché la camera a vuoto dell'apparato RUB semplicemente non era abbastanza grande. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che alcuni rettangoli di wafer contenevano molti punti quantici, mentre altri ne contenevano pochi. "All'inizio non abbiamo notato alcun sistema dietro di esso", ricorda Andreas Wieck, perché i ricercatori non hanno mai visto il quadro completo.
Punti quantici di alta qualità
Per approfondire la questione, il team di Bochum ha collaborato con i colleghi del TUM, che in una fase iniziale avevano a disposizione un dispositivo di misurazione con una camera di campionamento più grande. Durante queste analisi, il gruppo ha scoperto che c'era una strana distribuzione di aree con densità di punti quantici alta e bassa sul wafer. "Le strutture ricordavano fortemente un motivo moiré che si verifica spesso nelle immagini digitali. Mi è subito venuta l'idea che doveva essere effettivamente un motivo concentrico, ad esempio anelli, e che questi potevano essere visti in correlazione alla nostra crescita cristallina", spiega Arne Ludovico. Le misurazioni con una risoluzione più elevata hanno infatti mostrato che la densità dei punti quantici era distribuita in modo concentrico. Successivamente, i ricercatori hanno confermato che questa disposizione era dovuta al processo di fabbricazione.
Nella prima fase, il wafer viene rivestito con strati atomici aggiuntivi. A causa della geometria del sistema di rivestimento, questo crea strutture a forma di anello che hanno uno strato atomico completo, cioè dove nessun atomo manca in nessun punto dello strato. Tra gli anelli si formano aree altrettanto ampie che mancano di uno strato atomico completo e quindi hanno una superficie più ruvida perché mancano i singoli atomi. Ciò ha conseguenze per la crescita dei punti quantici. "Per restare fedele all'immagine:piuttosto che su una superficie cementata, i funghi preferiscono crescere sul suolo della foresta, cioè sui punti ruvidi della cialda", afferma Andreas Wieck.
I ricercatori hanno ottimizzato il processo di rivestimento in modo che le aree ruvide apparissero a intervalli regolari, inferiori a un millimetro, sul wafer e che gli anelli si intersecassero. Ciò ha prodotto un modello quasi a scacchiera con punti quantici di alta qualità, come dimostrato dai ricercatori di Basilea e Copenaghen. + Esplora ulteriormente
