Kropka kwantowa
Z Wikipedii
Kropka kwantowa – niewielki rejon przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, nazywany tak, gdy wewnątrz spułapkowana jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej.
Ograniczenie ruchu cząstki w trzech wymiarach oznacza kwantyzację w każdym z poszczególnych kierunków. Prowadzi to do sytuacji, gdy cząstka może znajdować się jedynie w pewnych stanach, określonych równaniem Schroedingera. Tylko dobrze określone, dyskretne poziomy energetyczne mogą być zajęte przez cząstkę. Z tego powodu kropki kwantowe nazywa się czasem sztucznymi atomami.
Spis treści |
[edytuj] Realizacja materiałowa
Przez długi czas kropki kwantowe były tworem teoretycznym. Wraz z rozwojem technologii układania cienkich warstw (takich jak MOCVD, MBE) stało się możliwe kontrolowanie procesu wzrostu kryształów, a także możliwości techniczne tworzenia kropek kwantowych. Do najważniejszych metod wytwarzania kropek kwantowych w laboratoriach można zaliczyć:
- kropki spontanicznie, powstające na granicy faz półprzewodników, wzrastanych metodą MBE (tzw. self-assembled quantum dots, SAQD), gdzie geometryczne nierówności służą relaksacji napięcia spowodowanego różnicą stałych sieci (tzw. metoda Stranskiego-Krastanowa),
- nanokryształy (ograniczenie ruchu elektronu przez granice kryształu),
- kropki powierzchniowe, w których w dwuwymiarowym gazie elektronowym na granicy faz półprzewodnikowych ogranicza się ruch poprzez lokalne zubożenie materiału poprzez przyłożenie napięcia do bramek metalicznych, znajdujących się w pobliżu (nie nadają się do konstrukcji laserów, bo chwytają tylko elektron, albo tylko dziurę, więc nie jest możliwe spułapkowanie ekscytonu).
[edytuj] Badania
Na początku lat siedemdziesiątych, prawie równocześnie w IBM oraz AT&T Bell Laboratories, wykonano pierwsze studnie kwantowe – nanokryształy o liczbie wymiarów ograniczonej do dwóch. Ograniczenie ruchu nośników prądu w jednym kierunku w sposób naturalny powstaje w układzie, będącym tzw. heterostrukturą półprzewodnikową, składającą się z bardzo cienkiej warstwy (o grubości mniejszej niż długość fali de Broglie'a typowego elektronu) półprzewodnika o małej wzbronionej przerwie energetycznej (tzw. obszar studni kwantowej), umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami wytworzonymi z materiału o dużej przerwie wzbronionej (tworzącymi obszary tzw. barier kwantowych). Ze względów energetycznych elektron przebywać może tylko w środkowym obszarze przestrzennym heterostruktury. Jego ruch w kierunku prostopadłym do płaszczyzny heterostruktury jest skwantowany, natomiast w jej płaszczyźnie jest kwaziswobodny. Głębokość takiej studni oraz jej szerokość określają dozwolone wartości energii nośników w niej uwięzionych. Parametrami tymi możemy sterować w przypadku technologii półprzewodnikowej poprzez kontrolę nad grubością materiału tworzącego studnie i składem materiału tworzącego bariery (tj. ułamkiem molowym x w przypadku barier z Ga(1-x)AlxAs). Obecnie stanowi to podstawę inżynierii elektronicznej. Poprzez regulację np. szerokości studni kwantowych, a więc efektywnej wymiarowości nośników, możemy "dobierać" długość wyświecanej w akcie luminescencji fali w sposób pożądany w danym przyrządzie.
Na początku lat osiemdziesiątych, dalszy rozwój technologii, a zwłaszcza bardzo precyzyjnych technik litograficznych, umożliwił związanie elektronów w strukturze kwazijednowymiarowej, czyli tzw. drucie kwantowym. Druty kwantowe wykonuje się w postaci miniaturowych pasków wytrawionych w próbce zawierającej studnię kwantową. Ze względu na ograniczone możliwości litografii ich wymiary poprzeczne (10-500 nm) są zwykle wyraźnie większe niż grubość studni.
Całkowite zamrożenie swobodnego ruchu elektronów przez zamknięcie ich w kwazizerowymiarowej kropce kwantowej jako pierwszym powiodło się naukowcom z Texas Instrument Incorporated. W 1986 r. grupa Reeda opisała kwadratową kropkę kwantową o boku długości 250 nm, wytrawioną litograficznie. Niedługo później pojawiły się kolejne prace opisujące wykonanie tego typu kropek w innych ośrodkach. Średnice opisywanych kropek były już znacznie mniejsze i wynosiły 30-45 nm.
Badania układów o obniżonej wymiarowości przyniosły szereg nieoczekiwanych odkryć, które znalazły uznanie wyrażone przez przyznanie najbardziej prestiżowych nagród: Nagroda Nobla dla Klausa von Klitzinga w 1986 roku za odkrycie całkowitego kwantowego efektu Halla w kwazidwuwymiarowym gazie elektronowym w strukturach MOS (metal-tlenek-półprzewodnik) oraz Nagroda Nobla dla Horsta Störmera, Daniela Tsui i Roberta Laughlina w 1998 roku za odkrycie i wytłumaczenie teoretyczne ułamkowego kwantowego efektu Halla.
[edytuj] Zastosowania
Badaniem kropek kwantowych naukowcy zajęli się w latach 70. XX wieku, sądząc, że umożliwią skonstruowanie nowych urządzeń elektronicznych lub optycznych. Jednak niewielu myślało o zastosowaniu tych obiektów w diagnostyce chorób lub do opracowania nowych leków. Nikt nie miał pojęcia, że kropki kwantowe pierwsze zastosowanie znajdą w biologii i medycynie. Stworzenie takich kropek sprawnie działających w układach biologicznych trwało jednak wiele lat.
Kropki kwantowe, ze względu na niezwykle właściwości wynikające z rozmiarów nanometrowych, są znacznie bardziej stabilnymi i precyzyjnymi znacznikami niż stosowane dotychczas w diagnostyce medycznej barwniki organiczne. Naukowcy podkreślają zgodnie, że osiągnięte dotychczas wyniki to tylko wierzchołek góry lodowej, którą stanowią wszystkie możliwości metody oznaczania immunofluorescencyjnego z wykorzystaniem kropek kwantowych.
Testy biologiczne na obecność lub aktywność poszukiwanych substancji są znacznie szybsze, czulsze i elastyczniejsze, gdy jako znaczniki zastosujemy kropki kwantowe. Kropki kwantowe mogą służyć do optycznego rozpoznawania składu genetycznego badanej próbki poprzez wytworzenie widmowych kodów paskowych. Lepsze testy genetyczne będą pomocne na przykład w wykryciu choroby we wczesnym stadium, kiedy znacznie łatwiej można ją wyleczyć.
Możliwości zastosowań kropek kwantowych w medycynie nie kończą się na widmowych kodach paskowych czy nanoznacznikach. W laboratoriach University of California w Davis trwają badania nad możliwością śledzenia wędrówki wirusa w organizmie za pomocą kropek kwantowych. Oświetlone promieniowaniem o określonej długości fali kropki kwantowe, złożone z m.in. z atomów złota lub krzemu, emitują wyraźne światło umożliwiające prześledzenie położenia (bądź trasy wędrówki) cząsteczek wirusa we wnętrzu żywej tkanki. Badania te są szczególnie istotne w przypadku wirusa HIV, który co rocznie zabija ponad trzy miliony osób (liczba ta stale wzrasta). Ponadto kropki kwantowe mogą służyć jako doręczyciele mikroskopijnych porcji leków do chorych komórek. Cząsteczki tradycyjnych leków działają na określone grupy komórek organizmu, jednak poruszają się często na oślep. Nie każda z molekuł leku wypełnia leczniczą misję – te zagubione wędrują po organizmie, wywołując niepożądane skutki uboczne. Prawdziwym przełomem będzie więc powstanie skutecznych nanourządzeń dostarczających porcje leków bezpośrednio do komórek dotkniętych chorobą i, co równie ważne, pokonujących bariery nieprzekraczalne przy wykorzystaniu dotychczasowych metod leczenia. Kropki kwantowe umieszczone w proteinowej otoczce należą do nowej, intensywnie rozwijanej klasy urządzeń określanych skrótem bioMEMS.
Wszystkie te argumenty wskazują na fakt, że odkrycie kropek kwantowych może stać się przełomem w diagnostyce medycznej.
[edytuj] Zobacz też
[edytuj] Bibliografia
- Few-electron Quantum Dots, L.P. Kouwenhoven, D.G. Austing, S. Tarucha, Reports on Progress in Physics 64 (6), 701-736 (2001).
- Quantum Dots, L.P. Kouwenhoven and C.M. Marcus, Physics World 11 p. 35-39 (1998).
