Nuovi tipi di strutture solotroniche, compresi i primi punti quantici al mondo contenenti singoli ioni di cobalto, sono stati creati e studiati presso la Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia. I materiali e gli elementi utilizzati per formare queste strutture ci consentono di prevedere le nuove tendenze della solotronica, un campo dell'elettronica sperimentale e della spintronica del futuro, basato su operazioni che si verificano a livello di un singolo atomo.

I sistemi elettronici operanti a livello dei singoli atomi sembrerebbero la naturale conseguenza degli sforzi per raggiungere una sempre maggiore miniaturizzazione. Già adesso, siamo in grado di controllare il comportamento dei singoli atomi situandoli all'interno di speciali strutture a semiconduttore:questo è il metodo utilizzato per formare punti quantici che contengono singoli ioni magnetici. Fino a poco tempo fa, erano note solo due varianti di tali strutture. Però, i fisici dell'Istituto di Fisica Sperimentale presso la Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia (FUW) hanno creato e studiato con successo due tipi completamente nuovi di strutture. I materiali e gli elementi utilizzati nel processo rendono del tutto probabile che i dispositivi solotronici possano entrare in un uso diffuso in futuro.

I risultati, i fisici di Varsavia hanno appena pubblicato in Comunicazioni sulla natura , spianare la strada allo sviluppo del campo della solotronica.

"I punti quantici sono cristalli semiconduttori su scala nanometrica. Sono così piccoli che gli elettroni al loro interno esistono solo in stati con energie specifiche. In quanto tali, i punti quantici presentano caratteristiche simili agli atomi, e – proprio come gli atomi – possono essere stimolati con la luce per raggiungere livelli energetici più elevati. Al contrario, questo significa che emettono luce quando tornano a stati con livelli di energia più bassi, " dice il prof. Piotr Kossacki.

Il laboratorio dell'Università crea punti quantici utilizzando l'epitassia del fascio molecolare. Il processo prevede crogioli di riscaldamento di precisione contenenti elementi posti in una camera a vuoto. Sul campione vengono depositati fasci di elementi. Selezionando accuratamente i materiali e le condizioni sperimentali, gli atomi si assemblano in minuscole isole, noti come punti quantici. Il processo è simile a come il vapore acqueo si condensa su una superficie idrofoba.

Mentre i punti si sistemano, una piccola quantità di altri atomi (ad esempio magnetici) può essere introdotta nella camera del vuoto, con alcuni che diventano parte dei punti emergenti. Una volta rimosso il campione, può essere esaminato al microscopio per rilevare punti quantici contenenti un singolo atomo magnetico al centro.

"Gli atomi con proprietà magnetiche interrompono i livelli di energia degli elettroni in un punto quantico, che influenza il modo in cui interagiscono con la luce. Di conseguenza, il punto quantico diventa un rivelatore dello stato di un tale atomo. La relazione funziona anche nell'altro modo:modificando gli stati energetici degli elettroni nei punti quantici, possiamo influenzare i rispettivi atomi magnetici, " spiega Michał Papaj, uno studente presso la Facoltà di Fisica UW, premiato con la Medaglia d'Oro in Chimica durante il concorso nazionale dello scorso anno per il miglior B.Sc. tesi tenuta dall'Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia Polacca delle Scienze per il suo lavoro sui punti quantici contenenti singoli ioni cobalto.

Le proprietà magnetiche più potenti si osservano negli atomi di manganese privati ​​di due elettroni (Mn2+). Negli esperimenti finora condotti, gli ioni sono stati montati in punti quantici fatti di tellururo di cadmio (CdTe) o arseniuro di indio (InAs). Utilizzando punti CdTe preparati dal Dr. Piotr Wojnar presso l'Istituto di Fisica PAS, nel 2009 Mateusz Goryca dell'Università di Varsavia ha dimostrato la prima memoria magnetica funzionante su un singolo ione magnetico.

"Si credeva comunemente che altri ioni magnetici, come il cobalto (Co ²⁺ ), non può essere utilizzato nei punti quantici. Abbiamo deciso di verificarlo, e la natura ci ha regalato una piacevole sorpresa:la presenza di un nuovo ione magnetico si è rivelato non distruggere le proprietà del punto quantico, "dice Jakub Kobak, studente di dottorato presso l'Università di Varsavia.

I ricercatori dell'Università di Varsavia hanno presentato due nuovi sistemi con singoli ioni magnetici:punti quantici di CdTe con un atomo di cobalto, e punti di seleniuro di cadmio (CdSe) con un atomo di manganese.

Come già affermato, gli atomi di manganese presentano le proprietà magnetiche più potenti. Sfortunatamente, sono causati dal nucleo atomico e dagli elettroni, il che significa che i punti quantici contenenti ioni manganese sono sistemi quantistici complessi. La scoperta fatta dai fisici dell'Università di Varsavia dimostra che altri elementi magnetici – come il cromo, ferro e nichel – può essere usato al posto del manganese. Questi elementi non hanno spin nucleare, che dovrebbe rendere i punti quantici che li contengono più facili da manipolare.

Nei punti quantici in cui il tellurio è sostituito dal selenio più leggero, i ricercatori hanno osservato che la durata per la quale le informazioni venivano ricordate aumentava di un ordine di grandezza. Questa scoperta suggerisce che l'uso di elementi più leggeri dovrebbe prolungare il tempo che i punti quantici contenenti singoli ioni magnetici memorizzano le informazioni, forse anche di diversi ordini di grandezza.

"Abbiamo dimostrato che due sistemi quantistici ritenuti non vitali in realtà hanno funzionato in modo molto efficace. Questo apre un ampio campo nella nostra ricerca di altri, combinazioni di materiali precedentemente rifiutate per punti quantici e ioni magnetici, " conclude il dottor Wojciech Pacuski.