Only Perception: 科學家開發製造獨立磁性量子點的方法

2012-11-02

科學家開發製造獨立磁性量子點的方法

Scientists develop method for fabricating individual magnetic quantum dots
http://phys.org/news/2012-09-scientists-method-fabricating-individual-magnetic.html

By Lisa Zyga, September 19, 2012

(Phys.org) -- 量子點（Quantum dots）為半導體晶體，那包含幾百個被拘束到如此小空間的原子，以至於它們被視為零維物體，常被稱為 "人造原子"。研究者已製造出由各種材料、大小構成的量子點。現在，在一項新研究裡，科學家證明如何以直徑只有 250 nm 的柱狀體（pillar）製造出獨立的磁性量子點，，在這類型量子點中，那是迄今已知最小的。

研究者們，由（德國）Wurzburg 大學的博士後研究 Charles Gould 所領導，將其製造磁性量子點的研究發表在最近一期的 Nanotechnology 上。

"這些並非第一批磁性量子點，因為磁性量子點先前已透過像自組裝這樣的技術做出來，" Gould 表示。"這些先前技術能讓你一次研究一大批，好幾百萬個量子點，但不允許獨立量子點的研究。由於這一大批量子點中的每一個都有點不太一樣，所以實際上不可能萃取獨立量子點的特性。我們的方法，首度允許獨立磁性人造原子的製造與研究。"

如研究者的解釋，量子點通常有二種幾何形狀的其中一種：橫向（lateral，由二個閘極 (gates) 並置所界定）或垂直（vertical，由量子井中的一個柱狀體所構成）。雖然仍不清楚如何使橫向量子點擁有磁性，但是在量子井中摻雜猛，在理論上可使垂直量子點擁有磁性。不過，在實際上這個點子面臨幾種技術性挑戰，例如，需要深溝槽（trenches）、柱狀體上的絕緣塗佈，以及元件的精密排列。

在這項研究中，研究者藉由開發出一種多階段製程，克服這些製造挑戰。那利用電子束微影刻出深溝槽，以絕緣閘極包圍柱狀體，並定義電接點。如 Gould 的解釋，克服這些技術挑戰，涉及數個領域的改善。

"那很難指向某個改善的關鍵要素，因為這是較延伸的微影術發展，那涉及許多對現有想法的個別改善，而不是某個神奇的突破性時刻，" 他說。"確認研究使用正確的材料堆疊無疑是一種重要因素。然而，使用這些較不為人知的材料進行研究有缺點，許多微影術技術都需要重新調整，那帶來了需要一個個被克服的多重挑戰。"

為了測試這些裝置，研究者將它們冷卻到接近絕對零度，並證明，量子點的傳導性會隨所施加的電壓而改變，那指出該裝置有作用。測試亦證明，量子點的能階會感應出一個環繞的磁場，證明巨順磁性（giant paramagnetism）-- 一種特殊的順磁性類型，一如其名所暗示的，那比在金屬成份中所見到的、更典型的順磁性要強上許多。

"這些呈現在論文中的測試證實，我們已打造出一個磁性人工原子，這階段之後什麼都沒有，" Gould 說。"確證位於這個事實：原子量子態的磁場演化明顯遵循一種類 Brillouin（Brillouin-like）行為，那是巨順磁性的特徵。仍需完成的是，這種量子點的完整光譜學研究。針對非磁性量子點的這類型研究，在 1990 年代與 2000 年代初期密集完成，而基本上，這些實驗現在全都能用磁性量子點重做一遍。"

如同 Gould 所解釋的，磁性量子點的實際應用有限，但結果能導致零維磁性物體的未來研究以及對真實原子有更好的理解。

"我能列出幾項應用，涉及到量子運算中的可能用途；然而，這些「應用」，除了實驗室或政府機構外，很可能都將不見天日，" Gould 說。"理由是，我們在此所描述的這類型裝置，為了相當根本的理由，只能在幾 K 的超低溫下運作。要創造出這樣的環境，需要龐大且昂貴的基礎建設，那很可能不包括任何未來的桌上型應用。"

"更有趣的是，我認為，領會為何這些結果很重要，是為了理解這個重要性：那是為了研究真實原子的特性。這些人造原子有許多特性在定性上類似真實原子，也因此在真實原子的研究中能成為非常有用的模型系統。此外，定量差異在某些例子中，也非常有助益。舉個簡單的例子，我們能考慮氦原子的「『單（重）態--三重態』躍遷」（'singlet-triplet' transition）。此躍遷是（為磁場的函數）：原子中的二個電子（那通常有相反的自旋），重新調整成擁有平行自旋。在真實原子中，這發生在近百萬 Tesla 的磁場中，那只有可能存在於類似中子星的狀態中。這樣的磁場根本不可能在地球上創造出來，因此關於這種躍遷的實驗性研究也無法進行。在另一方面，相同的躍遷，在一個人造原子中可以被設計成，只要幾 Tesla 的磁場就能夠發生，這樣的磁場強度，任何實驗室都能產生。"

※ 影像詳見原站。相關報導：

＊ Fabrication of magnetic artificial atoms
http://iopscience.iop.org/0957-4484/23/39/395301/