KROPKI KWANTOWE: POMOST MIĘDZY MECHANIKĄ KWANTOWĄ A ZAAWANSOWANYMI TECHNOLOGIAMI

Abstract

Już od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku zauważono, że struktury ograniczone przestrzennie do rozmiarów rzędu nanometrów wykazują fascynujące zjawiska, które otwierają nowe możliwości badań oraz zastosowań w wielu dziedzinach nauki. Tak rygorystyczne ograniczenie przestrzenne powoduje, że dominującą rolę w transporcie ładunków odgrywają zjawiska kwantowe takie jak wzbudzenia czy tunelowanie. Otworzyło to nowe kierunki badań nad mikroelektroniką opartą o wykorzystanie zjawisk kwantowych. Te nowe kierunki obejmują zdolność do tworzenia, charakteryzowania i manipulowania sztucznymi strukturami, których cechy są kontrolowane na poziomie atomowym. Dotyczą one różnorodnych dziedzin badawczych, takich jak mechanika, inżynieria, fizyka, chemia, nauki o materiałach i biologia molekularna czy medycyna. Podstawowy budulec nowoczesnych urządzeń elektronicznych wykorzystujących zjawiska kwantowe stanowią struktury ograniczone przestrzennie we wszystkich trzech wymiarach. Takie kwazizerowymiarowe obiekty nazywane są kropkami kwantowymi. Kropki kwantowe wykorzystywane są zarówno w badaniach podstawowych, jak również przy  zastosowaniach praktycznych. Ograniczenie przestrzenne powoduje, że QD mogą być traktowane jako sztuczne atomy o kontrolowalnych poziomach energetycznych. Okazało się to nieocenione przy badaniach zjawisk wielociałowych występujących również w materiałach litych. Silne korelacje elektronowe, interferencje, kwantowe dekoherencje czy efekty spinowe to tylko kilka przykładów. Równolegle do tych prac kropki kwantowe były również badane pod kątem praktycznym. Zdolność do absorbowania promieniowania o ściśle określonych długościach fal spowodowała, że kropki kwantowe wykorzystano do konstrukcji fotodetektorów łączących w sobie cechy takie jak wysoka czułość, szybki czas reakcji czy możliwość dostrajania. Te same własności spowodowały, że technologie oparte o kropki kwantowe znalazły zastosowanie nawet w domowych warunkach. Diody emitujące światło o bardzo dobrze określonej długości fal wykorzystano do tworzenia ekranów QLED o nieosiągalnej dotychczas rozdzielczości. W medycynie kropki kwantowe wykorzystuje się jako markery nowotworowe, które selektywnie wiążą się z komórkami nowotworowymi. Kropki kwantowe stanowią również podstawową jednostkę w jednoelektronowych tranzystorach. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd podstawowej fizyki rządzącej kropkami kwantowymi, ich unikalnych właściwości i różnorodnego zakresu zastosowań wynikających z ich dyskretnych poziomów energetycznych.