Ceci est une coupe transversale des points quantiques développés, construit et testé par l'Institut de physique expérimentale de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie. La couleur rouge marque un ion (cobalt ou manganèse) aux propriétés magnétiques (symbolisées par la flèche). Le jaune représente un point quantique (tellurure de cadmium ou arséniure d'indium, respectivement). Le bleu montre la couche semi-conductrice fixant la boîte quantique. Crédit :Université de Varsovie
De nouveaux types de structures solotroniques, y compris les premiers points quantiques au monde contenant des ions cobalt uniques, ont été créés et étudiés à la Faculté de physique de l'Université de Varsovie. Les matériaux et éléments utilisés pour former ces structures nous permettent de prévoir de nouvelles tendances en solotronique - un domaine de l'électronique expérimentale et de la spintronique du futur, sur la base d'opérations se déroulant au niveau d'un seul atome.
Les systèmes électroniques fonctionnant au niveau des atomes individuels sembleraient être la conséquence naturelle des efforts pour parvenir à une miniaturisation toujours plus grande. Déjà maintenant, nous sommes capables de contrôler le comportement des atomes individuels en les situant dans des structures semi-conductrices spéciales - c'est la méthode utilisée pour former des points quantiques qui contiennent des ions magnétiques uniques. Jusque récemment, seules deux variantes de telles structures étaient connues. Cependant, des physiciens de l'Institut de physique expérimentale de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie (FUW) ont créé et étudié avec succès deux types complètement nouveaux de structures. Les matériaux et éléments utilisés dans le processus font qu'il est tout à fait probable que les dispositifs solotroniques puissent être largement utilisés à l'avenir.
Les résultats, les physiciens de Varsovie viennent de publier dans Communication Nature , ouvrir la voie au développement du domaine de la solotronique.
"Les points quantiques sont des cristaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique. Ils sont si petits que les électrons qu'ils contiennent n'existent que dans des états avec des énergies spécifiques. En tant que tels, les points quantiques présentent des caractéristiques similaires aux atomes, et - tout comme les atomes - ils peuvent être stimulés par la lumière pour atteindre des niveaux d'énergie plus élevés. Inversement, cela signifie qu'ils émettent de la lumière lorsqu'ils retournent à des états avec des niveaux d'énergie inférieurs, ", explique le Pr Piotr Kossacki.
Le laboratoire de l'Université crée des points quantiques par épitaxie par faisceau moléculaire. Le processus implique des creusets chauffants de précision contenant des éléments placés dans une chambre à vide. Des faisceaux d'éléments sont déposés sur l'échantillon. En sélectionnant soigneusement les matériaux et les conditions expérimentales, les atomes s'assemblent en de minuscules îles, connu sous le nom de points quantiques. Le processus est similaire à la façon dont la vapeur d'eau se condense sur une surface hydrophobe.
Pendant que les points s'installent, une petite quantité d'autres atomes (par exemple magnétiques) peut être introduit dans la chambre à vide, certains devenant une partie des points émergents. Une fois l'échantillon retiré, il peut être examiné au microscope pour détecter des points quantiques contenant un seul atome magnétique au centre.
"Les atomes aux propriétés magnétiques perturbent les niveaux d'énergie des électrons dans une boîte quantique, ce qui affecte la façon dont ils interagissent avec la lumière. Par conséquent, la boîte quantique devient un détecteur de l'état d'un tel atome. La relation fonctionne également dans l'autre sens :en changeant les états d'énergie des électrons dans les points quantiques, nous pouvons affecter les atomes magnétiques respectifs, " explique Michał Papaj, étudiant à la faculté de physique de l'UW, a reçu la médaille d'or en chimie lors du concours national de l'an dernier pour le meilleur B.Sc. thèse soutenue par l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences pour ses travaux sur les boîtes quantiques contenant des ions cobalt uniques.
Les propriétés magnétiques les plus puissantes sont observées dans les atomes de manganèse dépourvus de deux électrons (Mn2+). Dans les expériences menées jusqu'à présent, les ions ont été montés dans des boîtes quantiques en tellurure de cadmium (CdTe) ou en arséniure d'indium (InAs). À l'aide de points CdTe préparés par le Dr Piotr Wojnar du PAS Institute of Physics, en 2009, Mateusz Goryca de l'Université de Varsovie a présenté la première mémoire magnétique fonctionnant sur un seul ion magnétique.
"On croyait communément que d'autres ions magnétiques, comme le cobalt (Co 2+ ), ne peut pas être utilisé dans les points quantiques. Nous avons décidé de vérifier cela, et la nature nous a réservé une agréable surprise :la présence d'un nouvel ion magnétique s'est avérée ne pas détruire les propriétés de la boîte quantique, " dit Jakub Kobak, doctorant à l'Université de Varsovie.
Des chercheurs de l'Université de Varsovie ont présenté deux nouveaux systèmes à ions magnétiques simples :les boîtes quantiques CdTe avec un atome de cobalt, et des points de séléniure de cadmium (CdSe) avec un atome de manganèse.
Comme déjà dit, les atomes de manganèse présentent les propriétés magnétiques les plus puissantes. Malheureusement, ils sont causés par le noyau atomique ainsi que les électrons, ce qui signifie que les points quantiques contenant des ions manganèse sont des systèmes quantiques complexes. La découverte faite par des physiciens de l'Université de Varsovie démontre que d'autres éléments magnétiques - comme le chrome, fer et nickel – peuvent être utilisés à la place du manganèse. Ces éléments n'ont pas de spin nucléaire, ce qui devrait faciliter la manipulation des points quantiques qui les contiennent.
Dans les points quantiques où le tellure est remplacé par le sélénium plus léger, les chercheurs ont observé que la durée de mémorisation des informations augmentait d'un ordre de grandeur. Cette découverte suggère que l'utilisation d'éléments plus légers devrait prolonger le temps que les points quantiques contenant des ions magnétiques uniques stockent des informations, peut-être même de plusieurs ordres de grandeur.
"Nous avons démontré que deux systèmes quantiques que l'on croyait non viables fonctionnaient en fait très efficacement. Cela ouvre un large champ dans notre recherche d'autres, des combinaisons de matériaux précédemment rejetées pour les points quantiques et les ions magnétiques, " conclut le Dr Wojciech Pacuski.
