Popularnonaukowe streszczenie projektu

Problem do rozwiązania:
Dotarcie do granic miniaturyzacji związanej z ziarnistością materii stanowi ważne wyzwanie naszych czasów. Powstaje pytanie, czy dalszy rozwój technologii będzie ograniczony wskutek przejścia do dyskretnych rozmiarów obiektów – złożonych już teraz z pojedynczych atomów? Jak ma działać elektronika, w której elektrony mają nie ciągłe, a dyskretne dostępne stany energetyczne? A może przeciwnie, technologia nie zwolni, ale przyspieszy dzięki właściwemu wykorzystaniu potencjału tkwiącego w pojedynczych jonach i defektach, jak to postuluje solotronika - optoelektronika oparta na pojedynczych domieszkach? Przykładem zwiastującym nadejście solotroniki może być pojedyncza domieszka fosforu na powierzchni krzemu, która może służyć jako jednoatomowy tranzystor oraz kubit. Podobnie obiecujące jest centrum defektowe NV w diamencie, które już dziś może służyć jako qubit pracujący w temperaturze pokojowej lub nanosensor lokalnego pola magnetycznego. Szczególnie interesującymi domieszkami w kryształach półprzewodnikowych są jony magnetyczne, takie jak jony metali przejściowych. W przeciwieństwie do typowych atomów tworzących półprzewodniki, metale przejściowe mają tylko częściowo wypełnioną powłokę elektronową d. Powłoka ta hybrydyzuje z pasmami kryształu, w który wbudowana jest domieszka, co prowadzi do szeregu ciekawych zjawisk magnetycznych, optycznych i elektrycznych. Większość z tych zjawisk została zbadana dotychczas jako efekt uśrednienia własności zespołu wielu jonów magnetycznych, z których każdy oddziałuje ze swoim otoczeniem w trochę inny sposób, czego jednak nie dało się ani opisać, ani zastosować, bo dostęp do pojedynczych domieszek był bardzo ograniczony, głównie z powodu braku odpowiednich nanotechnologii i metod eksperymentalnych.

Narzędzie:
Obecnie, skutecznym narzędziem do operowania spinem pojedynczego jonu magnetycznego jest półprzewodnikowa kropka kwantowa, która zwiększa oddziaływanie wymienne s,p-d pomiędzy nośnikami o jonem magnetycznym. W kropce kwantowej z pojedynczym jonem magnetycznym, stany ekscytonowe są rozszczepione poprzez oddziaływanie s,p-d, co pozwala na jednoznaczny odczyt spinu jonu magnetycznego na podstawie polaryzacji i energii fotonów emitowanych z kropki. Dotychczas metoda ta była wykorzystywana do badania pojedynczych jonów manganu w różnych kropkach kwantowych np. CdTe, InAs i CdSe. Na podstawie tego, że inne jony magnetyczne takie jak np. Co²⁺, Fe²⁺, Cr²⁺ wygaszają luminescencję ekscytonową półprzewodników, przez wiele lat uznawano, że nie nadają się one do wkładania w kropki kwantowe, bo zniszczą dobre własności optyczne kropek kwantowych. Niedawno udało się wykazać, że powyższe powszechne przekonanie nie sprawdza się w przypadku pojedynczych domieszek w kropkach kwantowych. W pracy J. Kobak et al., Nature Communications 5, 3191 (2014), udało się wykazać, że efekt wygaszania jest nieistotny dla kropki kwantowe CdTe z pojedynczym jonem Co²⁺. Świadczy o tym podobny czasu życia ekscytonu w kropce kwantowej z jednym jonem kobaltu i bez niego.

Nasz cel:
Słaby efekt wygaszania luminescencji w kropce kwantowej z pojedynczym jonem kobaltu sugeruje, że także inne metale przejściowe mogą być rozpatrywane jako ciekawe obiekty do manipulowania pojedynczym spinem. Poza intensywnie badanym Mn i niedawno wprowadzonym Co, jest jeszcze wielu kandydatów, ale przede wszystkim metale przejściowe z tej samej grupy: V, Cr, Fe, Ni, Cu, o których wiadomo, że wykazują oddziaływanie s,p-d ze swobodnymi nośnikami. Ze względu na potencjalne zastosowania w przetwarzaniu informacji, przechowywaniu danych i obliczeniach kwantowych, ważne jest, aby uzyskać pełną kontrolę nad pojedynczym jonem magnetycznym, co jest pewną wskazówką, niektóre z metali przejściowych mają właściwości, których kontrolować się przy obecnej technologii nie da. W obecnym projekcie twierdzimy, że najbardziej obiecujące systemy solotroniczne oparte są na kropkach kwantowych z takimi jonami metali przejściowych, które mają stabilne izotopy bez spinu jądrowego, czyli Fe, Ni, Cr. W projekcie tym będziemy wytwarzać nowe systemy kropek kwantowych z pojedynczymi metalami przejściowymi. Będziemy planować nasze struktury tak aby uzyskać wysoki stopień kontroli nad właściwościami pojedynczej domieszki i żeby móc zademonstrować dla niej koherentną manipulację pojedynczym spinem.