Для управления квантовыми точками учли рельеф поверхности
Исследователи ЮФУ совместно с коллегами из НИУ ВШЭ (Санкт-Петербург) сделали важный шаг к созданию элементной базы для квантовых компьютеров и защищенных линий связи. Ученые выяснили, как поведение квантовых точек — наноразмерных структур, которые ведут себя подобно отдельным атомам, — зависит от рельефа поверхности, на которой они создаются. Исследования показывают, что одни и те же технологические приемы приводят к противоположным результатам на плоских и структурированных подложках. Это открытие позволяет точнее управлять свойствами наноструктур, которые станут основой для создания устройств будущего в среднесрочной перспективе.
Квантовые точки по своим оптическим свойствам напоминают атомы: они также способны излучать и поглощать свет строго определенной длины волны. Однако, в отличие от настоящих атомов, их характеристиками можно управлять, меняя размер и состав. Сегодня на их основе создают не только высокоэффективные светодиоды и лазеры, но и принципиально новые устройства — источники одиночных фотонов (минимальных порций света), которые необходимы для квантовой связи и квантовых вычислений.
Для создания таких устройств необходимо с прецизионной точностью управлять позиционированием квантовых точек на поверхности «чипа». Один из перспективных подходов — формирование квантовых точек не на плоской поверхности, а внутри специально вытравленных наноразмерных углублений. Это позволяет упорядочить их расположение и получить массивы с низкой плотностью, когда отдельные точки можно «подключать» поодиночке. Однако до сих пор ученые не понимали до конца, что происходит с такими структурами, когда поверх них наращивают «защитный» слой — а это обязательный этап создания любого прибора.
Сотрудники Лаборатории эпитаксиальных технологий ИНЭП и ПИШ ЮФУ совместно с коллегами из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ решили разобраться в этом вопросе. В этой работе ученые из Южного федерального университета вырастили квантовые точки из арсенида индия на подложках арсенида галлия (это классическая пара материалов для оптоэлектроники), а затем поверх этих наноструктур был нанесен защитный слой с различной скоростью. Для сравнения использовали три типа структур: квантовые точки на плоской поверхности, сверхтонкие квантовые ямы (двумерные слои толщиной в несколько атомов) и квантовые точки внутри наноуглублений на рельефной поверхности.
В результате исследований оптических свойств с использованием технологических возможностей лаборатории ВШЭ стало ясно, что на плоской поверхности увеличение скорости нанесения защитного слоя приводило к смещению спектра фотолюминесценции (свечения) от квантовых точек в длинноволновую область. Простыми словами: когда слой наращивали быстро, квантовые точки сохраняли свои исходные размеры и состав, то есть они как бы «замораживались». Это не позволяло атомам индия «покидать» наноструктуры и приводило к красному смещению спектров излучения из-за увеличения концентрации индия в квантовых точках. Если же слой наносили медленно, атомы индия начинали активно мигрировать, квантовые точки частично «растворялись», их размер уменьшался, и свечение смещалось в коротковолновую область (в синюю сторону) спектра.
А вот на рельефной поверхности все происходило с точностью до наоборот. Быстрое нанесение слоя приводило к смещению спектра в коротковолновую область (точки становились меньше), а медленное — в длинноволновую (точки вырастали крупнее).
«Мы впервые показали, что на структурированной поверхности зависимость приобретает принципиально иной характер. Чтобы понять механизм, нужно представить себе конкуренцию двух потоков атомов. С одной стороны, из-за упругих напряжений атомы индия стремятся покинуть квантовую точку — это похоже на сжатую пружину, которая хочет распрямиться. С другой стороны, атомы могут накапливаться в наноуглублениях за счет движения вдоль поверхности. В зависимости от того, как быстро мы наращиваем слой, побеждает тот или иной процесс. На плоской поверхности быстрое наращивание «замораживает» атомы на месте, сохраняя исходные точки. А в углублениях тот же прием, наоборот, не дает атомам подтянуться к точке с соседних участков, и она уменьшается», — комментирует младший научный сотрудник НИЛ ЛЭТ ЮФУ и лауреат стипендии Президента РФ Никита Шандыба.
Никита Шандыба — победитель стипендии Президента РФ для аспирантов и адъюнктов. Молодой исследователь одержал победу в данном конкурсе в 2025 году с темой диссертации: «Разработка и исследование технологических основ создания нанопроволок А3В5 на подложках кремния для перспективных элементов нано- и оптоэлектроники». Кроме того, Никита активно участвует в деятельности Передовой инженерной школы ЮФУ «Инженерия киберплатформ» (нацпроект «Молодежь и дети»), работая в исследовательской лаборатории эпитаксиальных технологий.
Ученые также обнаружили, что на образце с квантовыми точками, находящимися в наноуглублениях, отсутствует так называемый смачивающий слой — тонкая пленка, которая всегда образуется в процессе роста квантовых точек и является неотъемлемой частью этой системы, обладая при этом отличной от квантовых точек фотолюминесценцией. В структурах на рельефной поверхности этого слоя не оказалось, а сами точки излучали вплоть до 1100 нанометров (это ближний инфракрасный диапазон, важный для волоконно-оптической связи) при температуре 5 К (минус 268 градусов Цельсия). В спектрах отчетливо видны только линии отдельных квантовых точек, что подтверждает их низкую плотность и пригодность для квантовых применений.
Практическая ценность такой комплексной работы в том, что она дает инженерам дополнительный инструмент управления: изменяя всего один технологический параметр — скорость нанесения защитного слоя — можно в широких пределах управлять размером и оптическими свойствами квантовых точек. Причем направление этого изменения напрямую зависит от того, работаем мы с плоской или структурированной поверхностью. Это значит, что разработчики будущих квантовых процессоров и источников одиночных фотонов смогут точнее настраивать характеристики своих устройств, добиваясь нужного цвета свечения и нужной плотности элементов.
«Результаты данного исследования приближают нас к решению одной из главных задач современной фотоники — созданию надежных и воспроизводимых источников излучения с заданными свойствами, востребованных как в квантовых технологиях, так и в оптоэлектронике», — подытожил исследователь.
Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно