Unikatowa w kraju aparatura badawczo-pomiarowa w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk umożliwi naukowcom wytwarzanie i zbadanie nowych rodzajów nanostruktur półprzewodnikowych – drutów kwantowych. W przyszłości dzięki nanodrutom będzie można budować m.in. tanie i szybkie detektory do walki z zagrożeniami terrorystycznymi lub identyfikujące bakterie i wirusy.
Jak informuje Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK), które dostarczyło nowatorską aparaturę, umożliwi ona rozpoczęcie prac nad nowymi rodzajami półprzewodnikowych struktur o rozmiarach nanometrowych.
Po raz pierwszy w Polsce będzie można wykorzystać je do budowy detektorów pojedynczych cząsteczek chemicznych i biologicznych oraz kropek kwantowych generujących pojedyncze fotony.
„Wkrótce powinniśmy wytwarzać nanodruty zdolne wykrywać pojedyncze cząsteczki chemiczne i biologiczne, a także zawierające kropki kwantowe emitujące pojedyncze fotony” – zapowiada prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz, kierownik Środowiskowego Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych Instytutu Fizyki PAN.
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.
Jak wyjaśnia NLTK w komunikacie, kropki kwantowe to struktury półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrowych we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych. Uwięzione w nich elektrony i dziury emitują fotony o ściśle określonych energiach. Takie zachowanie jest charakterystyczne dla atomów, dlatego kropki często nazywa się „sztucznymi atomami”.
Dla technologii kwantowych szczególnie istotny jest fakt, że 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 metodą samoorganizacji – powstawały w sposób przypadkowy na odpowiednio spreparowanej płytce półprzewodnika. Nowa aparatura pozwoli produkować je również z wykorzystaniem nanodrutów. Najważniejszym odbiorcą takich kropek kwantowych będzie Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, jedna z instytucji członkowskich NLTK.
Jak informuje NLTK, nanodruty mają średnicę poniżej 50 nanometrów i długość ok. 1000 nm. Hoduje się je na płytkach półprzewodnikowych, zazwyczaj arsenku galu (GaAs), w warunkach ultra wysokiej próżni. Aby wzrastały, niezbędne są katalizatory nanometrowych rozmiarów, otrzymywane dzięki termicznej reorganizacji cienkiej warstwy złota naniesionej wcześniej na półprzewodnik.
„Do tej pory napylanie tej warstwy odbywało się w osobnej komorze próżniowej, skąd próbkę trzeba było przenieść do drugiego urządzenia” – opisuje mgr Tomasz Wojciechowski z Instytutu Fizyki PAN. Nowa komora do napylania, połączona kanałem próżniowym z dotychczasową aparaturą, pozwoli uniknąć szkodliwego kontaktu napylonej próbki z atmosferą.
Z olei wyposażenie skaningowego mikroskopu elektronowego w działo jonowe i nanomanipulatory umożliwia obcinanie nanodrutów, nanoszenie na ich końcówki platynowych lub wolframowych kontaktów, mierzenie charakterystyk prądowych, a w przyszłości – elektrycznie indukowaną emisję pojedynczych fotonów „na żądanie”.
Z nanodrutów z kontaktami elektrycznymi można wytwarzać także lasery, tranzystory polowe, czujniki kwasowości i inne detektory. Szczególnie interesujące są potencjalne zastosowania chemiczne i medyczne.
„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” – wyjaśnia mgr Wojciechowski. Dodaje, że detektor z pojedynczego nanodrutu jest w stanie reagować nawet na pojedyncze cząsteczki i wirusy, a więc stężenia trudno wykrywalne innymi metodami.
Dzięki nanodrutom w przyszłości będzie można również budować tanie i szybkie detektory do walki z zagrożeniami terrorystycznymi lub identyfikujące bakterie i wirusy. O tym, jakie substancje będą wykrywane, zadecyduje rodzaj powierzchni wychwytującej cząsteczki – prace nad funkcjonalizacją powierzchni detekcyjnej już są prowadzone przez Instytut Chemii Fizycznej PAN. EKR
