(Phys.org) —Los puntos cuánticos son cristales semiconductores que contienen unos pocos cientos de átomos restringidos en un espacio tan pequeño que se consideran objetos de dimensión cero, a menudo llamados "átomos artificiales". Los investigadores han fabricado puntos cuánticos hechos de varios materiales y tamaños. Ahora en un nuevo estudio, los científicos han demostrado cómo fabricar puntos cuánticos magnéticos individuales con diámetros de pilar tan bajos como 250 nm, el punto más pequeño de este tipo informado hasta la fecha.

Los investigadores, dirigido por Charles Gould, investigador postdoctoral en la Universidad de Würzburg, han publicado su estudio sobre la fabricación de puntos cuánticos magnéticos en un número reciente de Nanotecnología .

"Estos no son los primeros puntos cuánticos magnéticos, ya que los puntos cuánticos magnéticos se han creado previamente mediante técnicas como el autoensamblaje, "Gould dijo Phys.org . "Estas técnicas anteriores permiten estudiar una colección de muchos millones de puntos cuánticos a la vez, pero no permita el estudio de puntos individuales. Como tal, dado que todos los puntos de la colección son ligeramente diferentes, es esencialmente imposible extraer las propiedades de los puntos individuales. Nuestro método por primera vez, permite la producción y el estudio de un átomo artificial magnético individual ".

Como explican los investigadores, Los puntos cuánticos suelen tener una de dos geometrías:lateral (definida por dos puertas colocadas una al lado de la otra) o vertical (formada a partir de un pilar en un pozo cuántico). Si bien no está claro cómo hacer que un punto cuántico lateral sea magnético, teóricamente, un punto vertical puede hacerse magnético dopando el pozo cuántico con manganeso para darle propiedades magnéticas. Sin embargo, en realidad, esta idea se enfrenta a varios desafíos técnicos, como la necesidad de trincheras profundas, un revestimiento aislante en el pilar, y alineación precisa de los componentes.

En este estudio, los investigadores han superado estos desafíos de fabricación mediante el desarrollo de un proceso de varios pasos que utiliza la litografía por haz de electrones para excavar las trincheras profundas, rodear el pilar con una puerta aislante, y definir los contactos eléctricos. Como explicó Gould, Superar los desafíos técnicos implicó mejoras en varias áreas.

"Es difícil señalar un elemento clave de mejora, ya que este fue un desarrollo litográfico bastante extenso que implicó muchas mejoras individuales a las ideas existentes, a diferencia de un momento de avance mágico, ", dijo." Ciertamente, la identificación de la pila de material adecuada para trabajar es un elemento importante. Trabajando con estos materiales menos conocidos, sin embargo, tiene la desventaja de que muchas de las técnicas litográficas debían adaptarse, lo que proporcionó múltiples desafíos que debían superarse uno por uno ".

Para probar los dispositivos, los investigadores los enfriaron a temperaturas cercanas al cero absoluto y demostraron que la conductividad de los puntos cuánticos cambia en respuesta a un voltaje aplicado, indicando que los dispositivos son funcionales. Las pruebas también mostraron que los niveles de energía de los puntos cuánticos influyen en un campo magnético circundante, demostrando paramagnetismo gigante - un tipo particular de paramagnetismo que, como su nombre indica, es mucho más fuerte que el paramagnetismo más típico que se observa en los compuestos metálicos.

"Las pruebas presentadas en el documento confirmaron que hemos construido un átomo artificial magnético, nada más en esta etapa, "Dijo Gould." La confirmación radica en el hecho de que la evolución del campo magnético de los estados cuánticos atómicos sigue claramente un comportamiento similar al de Brillouin, que es característico del paramagnetismo gigante. Lo que aún queda por hacer es un estudio espectroscópico completo de tales puntos. Este tipo de trabajo se realizó ampliamente en puntos no magnéticos en la década de 1990 y principios de la de 2000, y esencialmente todos estos experimentos ahora se pueden repetir en los puntos magnéticos ".

Como explicó Gould, los puntos cuánticos magnéticos tienen aplicaciones prácticas limitadas, pero los resultados podrían conducir a futuros estudios sobre objetos magnéticos de dimensión cero y una mejor comprensión de los átomos reales.

"Puedo enumerar varias aplicaciones que implican posibles usos en la computación cuántica; sin embargo, incluso es poco probable que estas 'aplicaciones' vean la luz del día fuera de un laboratorio de investigación o una institución gubernamental, "Dijo Gould." La razón es que el tipo de dispositivo que estamos describiendo aquí es, por razones bastante fundamentales, restringido al funcionamiento a temperaturas ultrabajas por debajo de unos pocos Kelvin. La creación de un entorno de este tipo requiere una infraestructura voluminosa y costosa que probablemente excluya cualquier aplicación de sobremesa en el futuro.

"Mucho más interesante, en mi opinión, para apreciar por qué estos resultados son importantes, es comprender la importancia que tiene para la investigación de las propiedades de los átomos reales. Estos átomos artificiales tienen muchas propiedades que son cualitativamente similares a los átomos reales, y por tanto son muy útiles como sistemas modelo en el estudio de átomos reales. Es más, las diferencias cuantitativas son en algunos casos muy beneficiosas. Como un simple ejemplo, podemos considerar la transición 'singlete-triplete' de un átomo de helio. Esta es una transición cuando, en función de un campo magnético, los dos electrones en el átomo, que normalmente tienen giro opuesto, reorganizar para tener un giro paralelo. En un átomo real esto sucede en campos de casi un millón de Tesla, que solo existen en algo como una estrella de neutrones. Un campo así es completamente imposible de crear en la tierra, y por tanto no se puede realizar ningún estudio experimental de esta transición. Por otra parte, la misma transición en un átomo artificial se puede diseñar para que ocurra en campos de un par de Tesla, que se puede generar de forma rutinaria en casi cualquier laboratorio ".

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