Będą produkowali druty i kropki kwantowe

Bardziej efektywne wytwarzanie nanostruktur umożliwi budowa nowoczesnej instalacji w Instytucie Fizyki PAN. Dofinansowanie tego przedsięwzięcia ze środków Unii Europejskiej dostała grupa jednostek naukowych, zrzeszona w konsorcjum Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych, do którego należy Instytut.

Nanodruty to struktury krystaliczne o średnicy poniżej 50 nanometrów i długość ok. 1000 nm. Hoduje się je na płytkach półprzewodnikowych, zazwyczaj arsenku galu (GaAs). Z nanodrutów, do których podłącza się źródło zasilania, można wytwarzać np. czujniki kwasowości i inne detektory. "Nanodrut to obiekt długi i cienki, w którym większość atomów znajduje się na powierzchni. Jeśli coś przyklei się do tej powierzchni, pod spodem powstanie obszar zubożony w ładunki, obejmujący nawet cały przekrój włókna. Efektem będzie znaczna zmiana oporu elektrycznego w nanodrucie" - wyjaśnił mgr Tomasz Wojciechowski z Instytutu Fizyki PAN.

Jak dodał, dzięki nanodrutom w przyszłości będzie można również budować tanie i efektywne detektory do walki z zagrożeniami terrorystycznymi lub identyfikujące bakterie i wirusy. O tym, jakie substancje będą wykrywane, zadecyduje rodzaj powierzchni wychwytującej cząsteczki - prace nad takim materiałem już są prowadzone przez Instytut Chemii Fizycznej PAN. Wojciechowski podkreślił, że detektor z pojedynczego nanodrutu jest w stanie reagować nawet na pojedyncze cząsteczki i wirusy, a więc stężenia trudno wykrywalne innymi metodami.

Wytwarzanie drutów kwantowych to bardzo skomplikowany, długotrwały i kosztowny proces. Do hodowli kryształów w kształcie włosków o tak małej średnicy niezbędne są katalizatory nanometrowych rozmiarów, otrzymywane dzięki termicznej obróbce cienkiej warstwy złota naniesionej uprzednio na półprzewodnik. "Do tej pory napylanie tej warstwy odbywało się w osobnej komorze próżniowej, skąd próbkę trzeba było przenieść do drugiego urządzenia" - tłumaczył Wojciechowski. "Nowa komora do napylania, połączona kanałem próżniowym z dotychczasową aparaturą, pozwoli uniknąć szkodliwego kontaktu napylonej próbki z atmosferą. Z kolei wyposażenie skaningowego mikroskopu elektronowego w działo jonowe i nanomanipulatory umożliwia obcinanie nanodrutów, nanoszenie na ich końcówki platynowych lub wolframowych kontaktów i mierzenie charakterystyk prądowych" - dodał.

Z kolei kropki kwantowe to struktury półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrowych we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych. Uwięzione w nich elektrony emitują fotony o ściśle określonych energiach. Takie efekty są charakterystyczne dla atomów, dlatego kropki często nazywa się sztucznymi atomami. Za pomocą kropek można budować lasery i źródła pojedynczych fotonów.

"Źródła tego typu znajdują zastosowanie m.in. przy przesyłaniu informacji zaszyfrowanej kwantowo, a więc w sposób wykluczający możliwość podsłuchu. W Instytucie Fizyki PAN kropki kwantowe wytwarzano dotychczas tzw. metodą samoorganizacji - powstawały w sposób przypadkowy na odpowiednio spreparowanej płytce półprzewodnika. Nowa aparatura pozwoli produkować je również z wykorzystaniem nanodrutów" - podkreślił prof. Tomasz Wojtowicz, kierownik Środowiskowego Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych Instytutu Fizyki PAN.

Jak dodał, badania pomogą zrozumieć fundamentalne zjawiska zachodzące w nanostrukturach kwantowych, otworzą również drogę do budowy urządzeń przeznaczonych do zastosowań medycznych, kryptografii kwantowej i przechowywania informacji z wykorzystaniem metod spintroniki.

Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK) to konsorcjum złożone z jednostek naukowych zajmujących się badaniami nad technologiami kwantowymi, w tym informatyką kwantową, inżynierią kwantową. W skład NLTK wchodzą: Uniwersytet Warszawski, Politechnika Wrocławska, Instytut Fizyki PAN, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Gdański, Uniwersytet Łódzki i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. W pięciu spośród ośmiu instytucji tworzących konsorcjum NLTK (UW, PWr, IF PAN, UMK, UJ) jest realizowany, dzięki wsparciu funduszy unijnych, projekt o tej samej nazwie, którego celem jest utworzenie i wyposażenie członkowskich jednostek naukowych w sprzęt niezbędny do prowadzenia wspólnych badań naukowych oraz badawczo-rozwojowych na światowym poziomie.