Los puntos cuánticos podrían algún día constituir las unidades básicas de información de las computadoras cuánticas. En colaboración con colegas de Copenhague y Basilea, investigadores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y la Universidad Técnica de Munich (TUM) han mejorado decisivamente el proceso de fabricación de estas diminutas estructuras de semiconductores. Los puntos cuánticos se generan en una oblea:un disco de cristal semiconductor delgado. Hasta la fecha, la densidad de tales estructuras en la oblea ha sido difícil de controlar. Ahora, los investigadores pueden crear arreglos específicos de manera específica, un paso importante hacia un componente aplicable que se espera que tenga una gran cantidad de puntos cuánticos.

El equipo publicó sus hallazgos el 28 de marzo de 2022 en la revista Nature Communications . El estudio fue realizado por un grupo encabezado por Nikolai Bart, el profesor Andreas Wieck y el Dr. Arne Ludwig de la Cátedra RUB de Física Aplicada del Estado Sólido en cooperación con el equipo dirigido por Christian Dangel y el profesor Jonathan Finley de TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems. grupo de investigación y colegas de las universidades de Copenhague y Basilea.

Como hongos en el bosque

Los puntos cuánticos son áreas estrechamente definidas en un semiconductor en las que, por ejemplo, se puede confinar un solo electrón. Esto se puede manipular desde el exterior, por ejemplo con luz, para que la información se pueda almacenar en el punto cuántico. Los investigadores de Bochum son expertos en la producción de puntos cuánticos. Crean las estructuras en una oblea hecha de un material semiconductor que tiene aproximadamente el tamaño de un posavasos de cerveza. Los puntos cuánticos tienen un diámetro de solo unos 30 nanómetros.

"Nuestros puntos cuánticos solían crecer como hongos en el bosque", como describe Andreas Wieck la situación inicial. "Sabíamos que emergerían en algún lugar de la oblea, pero no exactamente dónde". Luego, los investigadores eligieron un hongo adecuado en el bosque para sus experimentos con los puntos cuánticos.

Experimentos preliminares de cultivo

En varios experimentos preliminares, el equipo ya había intentado influir en el crecimiento de los puntos cuánticos en la oblea. Los físicos habían irradiado la oblea en puntos individuales con iones enfocados, creando así defectos en la red cristalina del semiconductor. Actuando como núcleos de condensación, estos defectos provocaron el crecimiento de puntos cuánticos. "Pero al igual que los hongos cultivados tienen un sabor algo insípido, mientras que los hongos del bosque saben muy bien, los puntos cuánticos creados de esta manera no eran de tan alta calidad como los puntos cuánticos cultivados naturalmente", ilustra Andreas Wieck. No irradiaban luz tan perfectamente.

Por lo tanto, el equipo procedió con los puntos cuánticos de crecimiento natural. Para los experimentos, la oblea del tamaño de un posavasos de cerveza se cortó en pequeños rectángulos milimétricos. No pudieron analizar toda la oblea a la vez, porque la cámara de vacío del aparato RUB simplemente no era lo suficientemente grande. Sin embargo, los investigadores observaron que algunos rectángulos de obleas contenían muchos puntos cuánticos, mientras que otros contenían pocos. "Al principio, no notamos ningún sistema detrás", recuerda Andreas Wieck, porque los investigadores nunca vieron la imagen completa.

Puntos cuánticos de alta calidad

Para explorar la cuestión en profundidad, el equipo de Bochum cooperó con sus colegas en el TUM, que tenían a su disposición un dispositivo de medición con una cámara de muestra más grande en una etapa temprana. Durante estos análisis, el grupo descubrió que había una extraña distribución de áreas con densidades de puntos cuánticos altas y bajas en la oblea. "Las estructuras recordaban mucho a un patrón muaré que a menudo ocurre en las imágenes digitales. Pronto se me ocurrió la idea de que en realidad debe ser un patrón concéntrico, es decir, anillos, y que estos podrían verse en correlación con nuestro crecimiento de cristales", explica. Arne Ludwig. De hecho, las mediciones con mayor resolución mostraron que la densidad de los puntos cuánticos se distribuía concéntricamente. Posteriormente, los investigadores confirmaron que esta disposición se debía al proceso de fabricación.

En el primer paso, la oblea se recubre con capas atómicas adicionales. Debido a la geometría del sistema de recubrimiento, esto crea estructuras en forma de anillo que tienen una capa atómica completa, es decir, donde no falta ningún átomo en ningún punto de la capa. Entre los anillos, se forman áreas igualmente anchas que carecen de una capa atómica completa y, por lo tanto, tienen una superficie más rugosa porque faltan átomos individuales. Esto tiene consecuencias para el crecimiento de los puntos cuánticos. "Para seguir con la imagen:en lugar de una superficie de hormigón, los hongos prefieren crecer en el suelo del bosque, es decir, en los puntos ásperos de la oblea", dice Andreas Wieck.

Los investigadores optimizaron el proceso de recubrimiento para que las áreas ásperas aparecieran a intervalos regulares, de menos de un milímetro, en la oblea y que los anillos se cruzaran. Esto resultó en un patrón similar al de un tablero de ajedrez con puntos cuánticos de alta calidad, como lo demostraron los investigadores de Basilea y Copenhague. + Explora más

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