Nuevos tipos de estructuras solotrónicas, incluidos los primeros puntos cuánticos del mundo que contienen iones de cobalto individuales, se han creado y estudiado en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Los materiales y elementos utilizados para formar estas estructuras nos permiten pronosticar nuevas tendencias en solotrónica, un campo de la electrónica experimental y la espintrónica del futuro. basado en operaciones que ocurren en un nivel de un solo átomo.

Los sistemas electrónicos que operan a nivel de átomos individuales parecerían ser la consecuencia natural de los esfuerzos por lograr una miniaturización cada vez mayor. Ahora, podemos controlar el comportamiento de los átomos individuales situándolos dentro de estructuras especiales de semiconductores; este es el método utilizado para formar puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales. Hasta hace poco, sólo se conocían dos variantes de tales estructuras. Sin embargo, Los físicos del Instituto de Física Experimental de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (FUW) han creado y estudiado con éxito dos tipos de estructuras completamente nuevos. Los materiales y elementos utilizados en el proceso hacen que sea muy probable que los dispositivos solotrónicos se utilicen ampliamente en el futuro.

Los resultados, los físicos de Varsovia acaban de publicar en Comunicaciones de la naturaleza , allanar el camino para el desarrollo del campo de la solotrónica.

"Los puntos cuánticos son cristales semiconductores a escala nanométrica. Son tan diminutos que los electrones que contienen sólo existen en estados con energías específicas. Como tales, los puntos cuánticos exhiben características similares a los átomos, y, al igual que los átomos, pueden estimularse con luz para alcanzar niveles de energía más altos. En cambio, esto significa que emiten luz cuando regresan a estados con niveles de energía más bajos, "dice el profesor Piotr Kossacki.

El laboratorio de la Universidad crea puntos cuánticos utilizando epitaxia de haz molecular. El proceso implica crisoles de calentamiento de precisión que contienen elementos colocados en una cámara de vacío. Sobre la muestra se depositan vigas de elementos. Al seleccionar cuidadosamente los materiales y las condiciones experimentales, los átomos se ensamblan en pequeñas islas, conocidos como puntos cuánticos. El proceso es similar a cómo el vapor de agua se condensa en una superficie hidrófoba.

Mientras los puntos se asientan se puede introducir una pequeña cantidad de otros átomos (por ejemplo, magnéticos) en la cámara de vacío, con algunos convirtiéndose en parte de los puntos emergentes. Una vez que se extrae la muestra, se puede examinar con un microscopio para detectar puntos cuánticos que contienen un solo átomo magnético en el centro.

"Los átomos con propiedades magnéticas alteran los niveles de energía de los electrones en un punto cuántico, lo que afecta la forma en que interactúan con la luz. Como resultado, el punto cuántico se convierte en un detector del estado de dicho átomo. La relación también funciona al revés:al cambiar los estados de energía de los electrones en puntos cuánticos, podemos afectar los respectivos átomos magnéticos, "explica Michał Papaj, estudiante de la Facultad de Física de la Universidad de Washington, recibió la Medalla de Oro en Química durante la competencia nacional del año pasado para el mejor B.Sc. tesis realizada por el Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia por su trabajo sobre puntos cuánticos que contienen iones de cobalto individuales.

Las propiedades magnéticas más poderosas se observan en átomos de manganeso despojados de dos electrones (Mn2 +). En experimentos llevados a cabo hasta ahora, los iones se han montado en puntos cuánticos hechos de telururo de cadmio (CdTe) o arseniuro de indio (InAs). Usando puntos de CdTe preparados por el Dr. Piotr Wojnar en el Instituto de Física PAS, en 2009 Mateusz Goryca de la Universidad de Varsovia demostró la primera memoria magnética que funciona con un solo ion magnético.

"Se creía comúnmente que otros iones magnéticos, como el cobalto (Co ²⁺ ), no se puede utilizar en puntos cuánticos. Decidimos verificar esto, y la naturaleza nos dio una agradable sorpresa:la presencia de un nuevo ion magnético resultó no destruir las propiedades del punto cuántico, "dice Jakub Kobak, estudiante de doctorado en la Universidad de Varsovia.

Investigadores de la Universidad de Varsovia han presentado dos nuevos sistemas con iones magnéticos únicos:puntos cuánticos CdTe con un átomo de cobalto, y puntos de seleniuro de cadmio (CdSe) con un átomo de manganeso.

Como ya se dijo, Los átomos de manganeso exhiben las propiedades magnéticas más poderosas. Desafortunadamente, son causados ​​tanto por el núcleo atómico como por los electrones, lo que significa que los puntos cuánticos que contienen iones de manganeso son sistemas cuánticos complejos. El descubrimiento realizado por físicos de la Universidad de Varsovia demuestra que otros elementos magnéticos, como el cromo, hierro y níquel:se pueden usar en lugar de manganeso. Estos elementos no tienen espín nuclear, lo que debería hacer que los puntos cuánticos que los contienen sean más fáciles de manipular.

En los puntos cuánticos donde el telurio es reemplazado por el selenio más ligero, Los investigadores observaron que la duración durante la cual se recordaba la información aumentaba en un orden de magnitud. Este hallazgo sugiere que el uso de elementos más ligeros debería prolongar el tiempo que los puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales almacenan información. quizás incluso en varios órdenes de magnitud.

"Hemos demostrado que dos sistemas cuánticos que se creía que no eran viables de hecho funcionaron de manera muy efectiva. Esto abre un amplio campo en nuestra búsqueda de otros, combinaciones de materiales previamente rechazadas para puntos cuánticos e iones magnéticos, "concluye el Dr. Wojciech Pacuski.