Micrographies SEM de points quantiques magnétiques de deux tailles à divers stades de fabrication. (une), (b) montrer des vues latérales des piliers; (c), (d) montrer des vues de dessus de piliers recouverts d'un isolant et équipés d'une électrode de grille; (e), (f) montrer des vues latérales des piliers après gravure à sec de l'isolant du contact supérieur; et (g), (h) montrer des vues latérales des piliers contactés par un pont aérien dans le dispositif final. Crédit image :R-G Dengel, et al. ©2012 IOP Publishing Ltd
(Phys.org) - Les points quantiques sont des cristaux semi-conducteurs qui contiennent quelques centaines d'atomes contraints dans un espace si petit qu'ils sont considérés comme des objets de dimension zéro, souvent appelé « atomes artificiels ». Les chercheurs ont fabriqué des points quantiques faits de divers matériaux et tailles. Maintenant dans une nouvelle étude, les scientifiques ont démontré comment fabriquer des points quantiques magnétiques individuels avec des diamètres de pilier aussi bas que 250 nm, le plus petit point de ce type signalé à ce jour.
Les chercheurs, dirigé par Charles Gould, chercheur postdoctoral à l'Université de Würzburg, ont publié leur étude sur la fabrication de points quantiques magnétiques dans un récent numéro de Nanotechnologie .
"Ce ne sont pas les premiers points quantiques magnétiques, comme les points quantiques magnétiques ont déjà été fabriqués par des techniques telles que l'auto-assemblage, " Gould a dit Phys.org . "Ces techniques antérieures permettent d'étudier une collection de plusieurs millions de points quantiques à la fois, mais ne permettent pas l'étude de points individuels. En tant que tel, puisque tous les points de la collection sont légèrement différents, il est essentiellement impossible d'extraire les propriétés des points individuels. Notre méthode, pour la première fois, permet la production et l'étude d'un atome artificiel magnétique individuel."
Comme l'expliquent les chercheurs, les points quantiques ont généralement l'une des deux géométries :latérale (définie par deux portes placées côte à côte) ou verticale (formée à partir d'un pilier dans un puits quantique). Bien qu'il ne soit pas clair comment rendre un point quantique latéral magnétique, un point vertical peut théoriquement être rendu magnétique en dopant le puits quantique avec du manganèse pour lui conférer des propriétés magnétiques. Cependant, en réalité, cette idée fait face à plusieurs défis techniques, comme le besoin de tranchées profondes, un revêtement isolant sur le pilier, et un alignement précis des composants.
Dans cette étude, les chercheurs ont surmonté ces défis de fabrication en développant un processus en plusieurs étapes qui utilise la lithographie par faisceau d'électrons pour creuser les tranchées profondes, entourer le pilier d'une grille isolante, et définir les contacts électriques. Comme Gould l'a expliqué, surmonter les défis techniques impliquait des améliorations dans plusieurs domaines.
« Il est difficile d'indiquer un élément clé d'amélioration, comme il s'agissait d'un développement lithographique assez étendu qui impliquait de nombreuses améliorations individuelles aux idées existantes, par opposition à un moment magique de percée, " Il a dit. " L'identification de la bonne pile de matériaux avec laquelle travailler est certainement un élément important. Travailler avec ces matériaux moins connus, cependant, a l'inconvénient qu'une grande partie des techniques lithographiques ont dû être adaptées, qui a fourni de multiples défis qui devaient être surmontés un par un."
Pour tester les appareils, les chercheurs les ont refroidis à des températures proches du zéro absolu et ont démontré que la conductivité des points quantiques change en réponse à une tension appliquée, indiquant que les appareils sont fonctionnels. Des tests ont également montré que les niveaux d'énergie des points quantiques influencent un champ magnétique environnant, démontrant le paramagnétisme géant - un type particulier de paramagnétisme qui, comme le nom l'indique, est beaucoup plus fort que le paramagnétisme plus typique observé dans les composés métalliques.
"Les tests présentés dans l'article ont confirmé que nous avons construit un atome artificiel magnétique, rien de plus à ce stade, " a déclaré Gould. " La confirmation réside dans le fait que l'évolution du champ magnétique des états quantiques atomiques suit clairement un comportement de type Brillouin, caractéristique du paramagnétisme géant. Ce qu'il reste à faire, c'est une étude spectroscopique complète de ces points. Ce type de travail a été effectué de manière intensive sur des points non magnétiques dans les années 1990 et au début des années 2000, et essentiellement toutes ces expériences peuvent maintenant être répétées sur les points magnétiques."
Comme Gould l'a expliqué, les points quantiques magnétiques ont des applications pratiques limitées, mais les résultats pourraient conduire à de futures études sur des objets magnétiques de dimension zéro et à une meilleure compréhension des atomes réels.
« Je peux énumérer plusieurs applications impliquant des utilisations possibles en informatique quantique ; cependant, même ces « applications » sont peu susceptibles de voir le jour en dehors d'un laboratoire de recherche ou d'une institution gouvernementale, " dit Gould. " La raison en est que le type d'appareil que nous décrivons ici est, pour des raisons assez fondamentales, limité à un fonctionnement à des températures ultra-basses inférieures à quelques Kelvin. La création d'un tel environnement nécessite une infrastructure volumineuse et coûteuse qui exclut probablement toute future application de table.
"Beaucoup plus intéressant, À mon avis, pour comprendre pourquoi ces résultats sont importants, est de comprendre l'importance qu'il a pour la recherche sur les propriétés des atomes réels. Ces atomes artificiels ont de nombreuses propriétés qualitativement similaires aux atomes réels, et sont donc très utiles comme systèmes modèles dans l'étude des atomes réels. De plus, les différences quantitatives sont dans certains cas très bénéfiques. A titre d'exemple simple, nous pouvons considérer la transition 'singule-triplet' d'un atome d'hélium. Il s'agit d'une transition lorsque, en fonction d'un champ magnétique, les deux électrons de l'atome, qui ont normalement un spin opposé, réorganiser pour avoir une rotation parallèle. Dans un atome réel, cela se produit dans des champs de près d'un million de Tesla, qui n'existent que dans quelque chose comme une étoile à neutrons. Un tel champ est totalement impossible à créer sur terre, et donc aucune étude expérimentale de cette transition ne peut être réalisée. D'autre part, la même transition dans un atome artificiel peut être conçue pour se produire à des champs de quelques Tesla, qui peut être généré de manière routinière dans à peu près n'importe quel laboratoire."
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