Přejít na hlavní obsah

Kvantové tečky vylepší lasery i paměťové karty

Kvantová fyzika a mechanika jsou pro většinu lidí příliš složité vědy. Mají však své praktické aplikace.

Indium arsenidové kvantové tečky.

Kvantové tečky vznikají spojením dvou odlišných látek, obvykle polovodičů, z nichž jedna je velká pouhé nanometry. Výkonnější a přesnější lasery, flash disky s rychlým zápisem a dlouhou životností, kvalitní detektory využívané v medicíně, zdroje nerozlišitelných fotonů či součásti kvantových počítačů. V těchto přístrojích se objevují nebo jednou budou možná objevovat takzvané kvantové tečky, které studuje doktorand Přírodovědecké fakulty MU Petr Klenovský.

Kvantové tečky vznikají spojením dvou odlišných látek, obvykle polovodičů, z nichž jedna je velká pouhé nanometry. Speciálními postupy se vytvoří materiál, jehož výhoda spočívá v tom, že v místě, kde je nanovrstva, má rozdílnou elektronovou strukturu. V kombinaci s malými rozměry tak kvantové tečky vytvářejí takzvanou kvantovou jámu, která váže elektrony ze svého okolí. Výhodou kvantových teček je, že fungují na principech kvantové mechaniky, což umožňuje práci s jednotlivými částicemi, jako jsou ionty, elektrony či fotony.

„Pokud kvantovým tečkám dodáte energii například pomocí vhodného záření, elektrony se vybudí a dostanou se na vyšší energetickou úroveň. Ta je však nestabilní a částice se snaží dostat do původního stavu. Musí se proto zbavit přebytečné energie, což se děje většinou ve formě vyzáření fotonu, tedy světla,“ vysvětlil princip kvantových teček Klenovský, který působí v ústavu fyziky kondenzovaných látek. Vzniklé fotony mají přesně definovanou vlnovou délku a tečky tedy mohou sloužit jako základní součást velmi přesných laserů.

Právě měřením tohoto záření, ale i simulacemi elektronové struktury teček se Klenovský zabývá. Zkoumá materiály, které jsou tvořeny dvěma polovodiči - jde o indium arsenid (InAs) a galium arsenid (GaAs). Jejich výroba je technologicky i finančně velmi náročná. „Jedna z metod využívá toho, že se základní polovodič (galium arsenid) ostřeluje jednotlivými atomy india a arsenu. Ty na povrchu reagují a vytvoří jakési shluky nebo pyramidky indium arsenidu, a to jsou právě ony kvantové tečky,“ popsal jejich vytváření Klenovský.

Vlastnosti teček jsou výhodné například při vytváření laserů sloužících pro přenos informací v optických vláknech.

Lepší přenos informací
Vlastnosti teček jsou výhodné například při vytváření laserů sloužících pro přenos informací v optických vláknech. Jsou totiž přesnější a potřebují méně energie pro generování světla, než běžné lasery. „I když to čtenáři asi nevědí, i oni už tečky využili, pokud se připojili například na nějakou internetovou stránku umístěnou například ve Spojených státech,“ poznamenal Klenovský.

Podobným způsobem by se kvantové tečky mohly podle Klenovského využít také v počítačích, kde by nahradily přenos informací pomocí kovových vodičů optickými vlákny. „Bohužel zatím neumíme udělat funkční kvantové tečky na křemíku, který je základem klasických počítačů. I když už existují, nejsou vzhledem k příliš odlišným vlastnostem polovodičů, z nichž se skládají, schopné vyzařovat fotony efektivně,“ poznamenal doktorand, který pracuje také ve výzkumné skupině funkčních vlastností nanostruktur Středoevropského technologického institutu.

Zatímco v laserech se již kvantové tečky využívají například pro přenos informací v podmořských optických kabelech, jejich použití třeba pro výrobu flash disků nebo jako zdrojů identických fotonů, umožňujících bezpečnější a neodposlouchávatelnou komunikaci, je zatím ve fázi výzkumu.

Hlavní novinky z Masarykovy univerzity