De kvantmekaniska egenskaperna hos kvantringar (QR), speciellt deras resonans och interferensfenomen, har blivit ett intressant och intensivt forskningsområde, särskilt när det gäller deras tillverkning och användning inom olika materialsystem. En viktig aspekt av studier på kvantringar är att förstå hur externt applicerade faktorer som magnetfält och spänningspotential påverkar elektronernas dynamik och de kvantmekaniska effekterna på transportbeteendet i dessa strukturer. Den icke-jämviktstiden för elektrondefaser, som påverkas av höga spänningar och magnetfält, har visat sig förkortas signifikant i dessa sammanhang [250]. Ett resultat av detta har varit att man genom studier av InGaAs-baserade kvantringar, med hjälp av Scanning Gate Microscopy (SGM), har kunnat observera och kartlägga fenomen som Aharonov–Bohm-interferenser och Coulomb-öar, där de magnetoresistiva svängningarna i högre magnetfält kunde analyseras [118, 120].

Dessa experiment gav unika insikter i de elektroniska egenskaperna och hur de lokala densiteterna av tillstånd påverkades av magnetfält vid låga temperaturer, vilket öppnade dörren för att förstå strukturen på transport i kvant Hall-interferometrar. SGM-tekniken avslöjade också en fascinerande effekt i en tvåvägsnätverk från en GaInAs-heterojunktion, som fungerade som ett mesoscopiskt exempel på Braess paradoxen, där elektronflödet paradoxalt nog ökade när en extra väg förhindrade delar av transporten genom nätverket. Det teoretiska ramverket för Aharonov-Bohm-interferometrar i sådana strukturer, särskilt vid n-p-gränssnitt i grafennanoribbor, visade att transportegenskaper som spänning och Fermi-energi påverkar utfallet av dessa kvantmekaniska fenomen [189, 190].

Ett intressant aspekt av forskning kring kvantringar är att dessa nanostrukturer kan tillverkas och optimeras på flera olika materialplattformar. Självmontering har visat sig vara en effektiv metod för att skapa kvantringar även i en rad olika material, såsom InAs/InP [212], Ge/Si [68] och GaSb/GaAs [145]. Genom att kapsla in InAs eller InGaAs kvantprickar med ett GaAs/AlAs-lager innan uppvärmning kan man hindra diffunderingen av Al och Ga-atomernas inåtgående rörelse och därmed skapa välformade självmonterande kvantringstrukturer. I kontrast till InGaAs/GaAs-systemet, där tillväxtavbrott och kapsling krävs för att omvandla kvantprickar till kvantringar, sker en sådan transformation direkt i GaSb-strukturer utan ytterligare åtgärder.

Vidare har dropp-epitaxi visat sig vara en effektiv teknik för att framställa kvantringar utan att skapa onödiga spänningar i GaAs/AlGaAs-system, vilket möjliggör produktion av vertikalt orienterade kvantringar och komplexa QR-strukturer. Denna teknik börjar med bildandet av vätske-droppar från grupp-III metaller på substratytan i Volmer-Weber växtläge, vilket gör det möjligt att exakt kontrollera symmetrin hos de elektroniska tillstånden i de resulterande nanostrukturerna. Dessa nanodroppar fungerar som nucleationsställen för ytterligare kristallisering, vilket möjliggör exakt kontroll av både storlek och form på de kvantringar som bildas.

En annan intressant aspekt av dropp-epitaxi är möjligheten att självmontera kvantringar i GaAs-väggar genom nanohål, vilket gör det möjligt att skapa en V-formad kvantprick som omvandlas till en kvantring genom användning av ett vertikalt elektriskt fält. Detta ger en effektiv metod för att styra elektronernas vågfunktioner i V-formade kvantprickar och därmed skapa kvantringar med hjälp av fältstyrning.

Slutligen, medan epitaxiella tillvägagångssätt är utmanande för att uppnå toroida strukturer, har syntesen av kolloidala CdSe-nanoringar och nanostrukturer med dubbel och trippel toroida topologi visat sig vara möjligt. Detta skedde genom kontrollerad etching och omarrangemang av tvådimensionella nanoplatettskikt. De resulterande CdSe-enheterna omformades och rekrystalliserades på de vertikala kanterna av nanoplatetterna, vilket skapade de karakteristiska ringarna och därmed tillät tillverkningen av kvantringar med unika optiska och kvantmekaniska egenskaper.

Det är också värt att notera att varje teknik för att tillverka kvantringar har sina fördelar och nackdelar, och valet av tillverkningsmetod bör baseras på det specifika tillämpningsområdet och de önskade egenskaperna hos nanostrukturerna. Dels måste man beakta den exakta kontrollen av elektrondynamik i sådana strukturer, och dels är det nödvändigt att förstå de komplexa interaktionerna mellan materialets egenskaper och de externa fälten som appliceras för att manipulera dessa kvantmekaniska fenomen.

Hur Möbius-mikrocaviteten möjliggör manipulation av fotonernas geometrodynamik och optiska spin-orbitkoppling

Möbius-mikrocaviteten, som en struktur med inneboende symmetribrytning, erbjuder justerbar icke-ortogonalitet för resonanslägen. Förutom de lägen med planpolarisation kan även en uppsättning egenlägen med utomplanpolarisation stödjas, vilket möjliggör generering av en variabel Berry-fas. Dessa experiment visar på potentialen att manipulera fotonernas geometrodynamik i Möbius-mikrocaviter, där den dielektriska Möbiusbandcavityn framstår som en topologiskt elegant och, vad som är ännu viktigare, praktiskt tillgänglig, integrerbar, kontrollerbar och miniaturiserbar byggsten för optik och fotonik, både inom klassiska och kvantmekaniska områden.

När det gäller optisk spin–orbitkoppling i anisotropa medier, som innefattar fotoner och elektroner, kan partiklarna, som roterar, förvärva en Berry-fas utöver den dynamiska fasen. Ursprungligen diskuterades Berry-fasen för ett fysikaliskt system som utvecklas cykliskt med en Abelian utveckling, och senare generaliserades den till icke-cykiska och icke-Abelian fall. Detta ämne har stor betydelse för fundamentala studier och öppnar upp lovande applikationer i olika tekniska områden.

I denna kontext fokuserar vi på hur optisk spin-orbitkoppling realiseras i asymmetriska mikrocaviter och de experimentella observationerna av en icke-cykelisk optisk Berry-fas, som uppstår vid icke-Abelian utveckling. Dessa studier är relevanta för grundläggande forskning och implicerar lovande tillämpningar vid manipulering av fotoner i kvantmekaniska on-chip-enheter. Mikrotubkaviter konstrueras genom att frigöra olika och sträckta SiO/SiO2 bilagerade nanomembraner som är designade i cirkulära mönster, vilka sedan rullas till mikrotubstruktur på en kiselsubstrat. För att möjliggöra den optiska spin-orbitkopplingen, skapas konformade asymmetriska mikrotuber genom att frigöra och rulla den sträckta nanomembranen på ett ojämnt sätt. De resonatorer som därefter beläggs med ett lager av HfO2 via atomlagerdeposition (ALD) modifierar effektivt deras brytningsindex.

Experimentellt, när ljuset propagerar i mikrotubens vägg, roterar den elektriska fältvektorn runt rörets axel, vilket drivs av mikrotubens konformade geometri. Detta leder till en effektiv orbitalvinkelmoment (OAM) längs tubens axel. Skillnaden här, jämfört med konventionella cylindriska WGM (Whispering Gallery Modes)-resonatorer, är att fotonens spin-vinkelmoment (SAM) i dessa mikrotuber inte är ortogonala mot rörets axel, vilket gör att spin–orbit-interaktioner kan induceras. Resultatet av detta är att den effektiva Hamiltonianen för systemet får ett tillskott av spin-orbit koppling, vilket leder till att en Berry-fas uppkommer. Denna fas ger upphov till ett icke-heltaligt antal vågor för konstruktiva interferenser längs en sluten bana. På samma sätt som i tidigare rapporterade spiralvågledare, innebär detta en Abelian utveckling, där polarisationens orientering varierar, men polarisationens excentricitet förblir konstant.

För att resonanser ska genereras inom mikrotuben, pumpas ljuset genom en laserstråle vid 532 nm som fokuseras på tubens större ände, där resonanslägen med högre kvalitet (Q-faktor) existerar. Lasern exciterar ljusdefekter i den amorfa silikoxidmikrotuben, vilket leder till ljusemission i det synliga spektrumet vid rumstemperatur. Eftersom mikrotubens vägg är subwavelength-tunn, kan fotoner som är linjärt polariserade längs rörets vägg cirkulera runt en sluten bana inom mikrotuben, vilket säkerställer att den initiala polarisationsriktningen är parallell med rörets axel. Fotonerna som cirkulerar längs den slutna banan lämnar så småningom mikrotubens resonator och kan mätas och analyseras med hjälp av en laser-konfokal konfiguration.

Mikrotubens geometri, i kombination med variationen av brytningsindex längs dess axel, gör att resonansbanorna något lutar utanför planet för att minimera den optiska vägen, vilket illustreras av Fermats princip. Denna lutningseffekt skapar utrymme för mer komplexa interaktioner mellan ljusets spin och orbitalvinkelmomentum, vilket är centralt för att skapa nya typer av optiska faser och effektiva kontrollmekanismer för fotoniska system.

Att förstå betydelsen av denna forskning handlar inte bara om den tekniska skapelsen av nya mikrotubresonatorer, utan också om dess potentiella inverkan på kvantfotonik, där manipulationen av fotonernas egenskaper är avgörande för utvecklingen av kvantlogikportar och optiska kvantkretsar. För att fullt ut kunna utnyttja dessa strukturer i praktiska tillämpningar krävs en noggrann förståelse för både den teoretiska grunden i spin-orbitkopplingen och de tekniska metoderna för att skapa och mäta dessa effekter i laboratoriemiljö.

Hur nanohål bildas och deras tillämpningar i kvantringar

Processen för bildandet av nanohål är komplex och involverar flera viktiga steg som påverkar strukturen och egenskaperna hos de resulterande materialerna. Det centrala för nanohålsbildning är diffusionen av arsenik (As) från det kristallina AlGaAs-substratet in i den flytande droppen, driven av koncentrationsgradienten. Som en konsekvens av denna diffusion smälter substratet vid gränssnittet mot droppen. Detta leder till att As-koncentrationen i den flytande materialet ökar. Denna koncentration av arsenik kristalliserar tillsammans med det flytande droppmaterialet, vilket bildar väggarna runt nanohålets öppning.

En ytterligare viktig process är borttagandet av det flytande materialet från den ursprungliga droppens position. Tidigare studier har visat att en liten arsenikbakgrund, omkring 1×10−7 Torr, är avgörande för detta steg. Utan arsenikbakgrund bevaras de ursprungliga dropparna, och inga hål bildas. Vi antar att droppmaterial lossnar från dropparna under anrikning och sprids över substratets yta. Om arsenikbakgrunden är närvarande kristalliseras det borttagna droppmaterialet på den plana ytan, vilket permanent tar bort det flytande materialet och låter nanohålen förbli öppna. Intressant nog kan arsenikbakgrunden tillhandahållas antingen genom ett litet arsenikflöde till ytan eller genom det översta arseniklagret på en As-terminerad ytrekonstruktion, vilket fungerar som ett reservoar.

Densiteten, formen och storleken på de lokaliserade droppets etchade (LDE) nanohålen kan justeras över ett brett spektrum genom att variera processparametrarna. Viktiga faktorer är täckningen (θ) av det deponerade droppmaterialet, processens temperatur (T), arsenikflödet (FAs), samt valet av dropp- och substratmaterial. Studier har systematiskt undersökt och modellerat effekten av dessa parametrar. Till exempel, vid etching med Al-droppar kan nanhålsdensiteten varieras från 10^6 cm−2 till 10^8 cm−2 genom att justera temperatur, vilket resulterar i håldjup upp till 125 nm.

LDE-nanohål används ofta som mall för skapandet av mångsidiga nanostrukturer som kvantprickar (QD) eller kvantringar (QR). En enkel simulering av elektroniska tillstånd i dessa nanostrukturer görs genom att använda den effektiva massans approximation i cylindrisk symmetri. Detta beräknar elektron- och hål-vågfunktionerna samt de kvantiserade energinivåerna för dessa strukturer. För att simulera dessa strukturer använder man en finitet element-metod (FEM), vilket gör det möjligt att beräkna de första 20 eigenstaterna och deras motsvarande vågfunktioner. Dessa vågfunktioner används sedan för att beräkna Coulomb-interaktionen mellan elektronen och hålet.

Nanostrukturer som kvantringar kan skapas genom lokaliserad droppetsching. I den första typen av QR-strukturer bildas en ringliknande inneslutning av rekristalliserad GaAs som omger nanohålens öppningar efter LDE med Ga-droppar. I en annan typ fylls de LDE-nanohålen med GaAs för att bilda V-formade GaAs QD, vilket sedan skapar kvantringar genom vågfunktionsjustering av dessa QDs under ett vertikalt elektriskt fält. I båda fallen är rekristalliserade GaAs-väggar som bildas under LDE-processen av stor betydelse för den slutliga kvantringens form och funktionalitet.

För att förstå effekterna av LDE-processen och skapa kontrollerade kvantringar är det viktigt att förstå hur bakgrundseffekter som arsenikflöde påverkar hela processen. En variation i arsenikflödet kan kraftigt ändra antalet och tätheten av de bildade kvantstrukturerna. Därför är det avgörande att ha exakt kontroll över arsenikflödet och andra processparametrar för att uppnå den önskade strukturen. Ytterligare studier på hur variationer i processmiljön, såsom temperatur och flöde, påverkar de elektriska och optiska egenskaperna hos de resulterande kvantstrukturerna kommer att vara centrala för att optimera dessa nanostrukturer för framtida tillämpningar.

Hur bildas kvantringar i halvledarmaterial genom arsenisering av galliumdroppar?

Under arsenförsörjning förändrades ytan från en Ga-rik (4×6)-rekonstruktion till en As-stabiliserad (2×4)-rekonstruktion och slutligen till en As-rik c(4×4)-ytrekonstruktion. Växelverkan mellan adsorptionen av arsen på den Ga-rika (4×6)-ytan och Ga-migrationen på den As-stabiliserade (2×4)-ytan anses vara avgörande för bildandet av kvantringstrukturer. Figur 11 illustrerar den föreslagna mekanismen. Efter att 10 monolager gallium tillförts förändrades ytrekonstruktionen snabbt från en As-rik (c(4×4)) till en Ga-rik (4×6)-yta, och därefter bildades droppar. När arsenmolekylflödet tillfördes började ytan förändras till en As-stabiliserad (2×4)-rekonstruktion. Nästan samtidigt migrerade några Ga-atomer och bildade ett monolager GaAs runt droppen.

Den cylindriska symmetrin hos diffusionsdynamiken gör att Ga-atomer kan täcka ett genomsnittligt förflyttningsområde, vilket bestäms av Dτ, där D är ytdiffusionskoefficienten för Ga-adsorberade atomer och τ är det genomsnittliga tidsintervallet mellan ankomst och adsorption av As-atomer på en specifik yta. Samtidigt, långt ifrån dropparna, ändras ytrekonstruktionen till c(4×4) på grund av att arsenet adsorberas på ytan utan påverkan från Ga-diffusionen. Det är denna yta som fungerar som ett "pinningsite" för Ga-atomer när de migrerar bort från droppen.

In-situ spegel-elektronmikroskopi tillåter direkt observation av kristalliseringskinetik under arsenflöde av galliumdroppar. I det experimentella fallet, efter cirka 10 minuter, började deponeringen av ett GaAs inre ring vid den ursprungliga platsen för droppens kontaktlinje. Detta fenomen förklaras av en förstärkt materialdeponering vid denna linje på grund av den vertikala kraften som utövas på substratet. Därefter bildades den yttre ringen omedelbart utanför droppens periferi, som en konsekvens av reaktionen mellan diffunderande Ga-atomer och deponerat arsen. Dessa observationer bekräftar modellen som presenterats tidigare, där arseniseringens inverkan på Ga-atomernas migration och ringens bildning betonas.

Det är viktigt att notera att de två växlingsstegen i processen – deponering av galliumdroppar utan arsenflöde följt av arsenisering – leder till en särskild struktur av kvantringar. För att förklara bildandet av en dubbelring eller ring/disk-struktur kan man också använda denna modell. Den inre ringen, som har samma radie som den ursprungliga droppen, bildas först när droppen nucleeras. Efterföljande arsenisering ger upphov till den yttre ringen. Det bör betonas att det finns en väsentlig skillnad mellan mängden gallium som initialt tillförs (typiskt 10 ML vid bildandet av en trefaldig ringnanostruktur) och mängden gallium som faktiskt finns kvar i den slutliga strukturen.

Denna skillnad i mängd tyder på att endast en del av de ursprungligen tillförda galliumatomerna deltar i bildandet av den 3D-nanostrukturen. Den andra delen av galliumet (ungefär 6-7 ML) kan ha konsumerats under en annan process, särskilt under perioder av avbrott när temperaturen i substratet ändras. Under dessa perioder kan galliumatomer diffundera från dropparna och bilda ett tunt 2D-lager av GaAs över hela substratet. Detta fenomen är även påtagligt när arsenflödet är väldigt lågt, vilket gör att galliumatomerna lätt bildar ett jämnt lager av GaAs över ytan.

Kvantringar bildade genom dessa mekanismer har undersökts genom fotoluminescens, vilket bekräftar att den kvantbegränsade GaAs-strukturen, där det finns emitterande spektra vid 1,55 eV, bildas av det inre ringen, medan ett QW på 6-7 ML bildas under växtavbrotten. Detta bekräftas ytterligare genom experimentella resultat där två emissionspektra ses i området för kvantbegränsade GaAs-strukturer.

Vid högre arseniseringstemperaturer, som vid 320 °C, är det möjligt att optimera bildandet av symmetriska droppar. Dessa droppar reagerar på arsenet vid högre temperaturer och bildar olika GaAs-nanostrukturer beroende på temperaturens påverkan på ytadsorption och diffusion. Vid 450 °C dominerar ytadsorption, vid 520 °C aktiveras diffusionsprocessen, och vid 580 °C dominerar etsning.

Det är avgörande att förstå att dessa tekniker och deras tillämpningar inom halvledarteknologi inte bara handlar om att skapa kvantringar, utan om att kontrollera och manipulera atomära strukturer på ytan av materialet för att uppnå önskade optiska och elektroniska egenskaper. Effektiviteten hos dessa strukturer, särskilt deras förmåga att koncentrera och kontrollera elektriska laddningar inom nanoskala, är en viktig aspekt av den fortsatta utvecklingen av kvantteknologi och optoelektroniska komponenter.

Hur magnetfältets lutning påverkar spin-vågsbeteende i magnetiska nanostrukturer

När det externa magnetfältet lutar från en vinkelrät position i förhållande till magnetdiskens plan, bryts den cylindriska symmetrin hos den isolerade doten. Detta leder till en uppdelning av spin-vågsmode och introducerar nya interaktioner mellan spin-wave-modes. För att modellera detta fenomen har Landau-Lifshitz-ekvationen använts för att fånga dynamiken i magnetiseringens komponenter. En liten lutning av fältet skapar icke-diagonala interaktioner mellan spin-wave-modes, vilket leder till deras koppling och uppdelning. En perturbativ metod tillämpas för att beskriva effekten vid små lutningsvinklar. Genom analytiska beräkningar kan vi observera att den lägsta modusen (.i − 1) inte delar upp sig, eftersom den inte har några närliggande modes med vilka den kan kopplas. Högrankade modes däremot, uppvisar en systematisk uppdelning.

Den systematiska uppdelningen av nivåer i högre mode är en intressant egenskap. För varje mode definieras antalet splittrade nivåer enligt relationen .2i − 1. Det betyder att den andra mode delar sig i tre nivåer, den tredje i fem nivåer och så vidare. Uppdelningens magnitud ökar både med modens nummer och lutningsvinkeln. Profilen för varje mode är en kombination av Bessel-funktioner av jämn ordning, vilket leder till den observerade uppdelningen av modes och det unika beteendet som observeras vid ökad lutning. Denna systematiska uppdelning gör det möjligt att förutsäga spin-wavars beteende i icke-perpendikulära fält och har praktiska tillämpningar inom spintroniska applikationer, till exempel som justerbara komponenter i magnetiska enheter.

För tillämpningar inom spintronik kan dessa mode användas för signalbehandling eller som tunbara komponenter i magnetiska enheter. Trots den stora nyttan med denna teori, är dess giltighet begränsad till små lutningsvinklar (θ < 5°), och vid större vinklar krävs mer avancerad modellering. Dessutom introducerar effekterna av randvillkor, som magnetiseringens inlåsning, komplexiteter som inte fullt ut fångas av denna förenklade modell. Modellen som presenteras här kan kvantitativt beskriva experimentella resultat om både lutningsvinkeln θ och jämviktsmagnetiseringens vinkel θ₀ är små. Detta innebär att det finns en viss skillnad mellan de experimentella och teoretiska resultaten i fig. 2d, där inlåsning av dynamisk magnetisering har undersökts mer ingående i [41]. För enkelhetens skull användes inlåsade randvillkor för alla fall, även om det i tidigare studier visat sig att dipolära randvillkor beror på vinkeln mellan den varierande magnetiseringen och randens orientering. Detta innebär att randvillkoren beror på värdet av θ₀, vilket inte beaktades i den föreslagna teorin.

Vidare är perturbationsteorin som används här giltig när energigapet mellan nivåerna för olika modes är tillräckligt stora. Men som visades i [38], när lutningen når θ ≈ 5°, blir nivåerna för uppdelade modes mycket nära varandra, eller till och med korsar varandra. Detta innebär att perturbationsteorin inte är tillämplig vid större lutningsvinklar. Trots dessa problem, är skillnaden mellan experimentella och teoretiska resultat mindre än 0,5% även vid θ = 5°. Sammanfattningsvis, när det externa magnetfältet är avviket från den vinkelräta riktningen, bryts den cylindriska symmetrin i den isolerade doten. De experimentella resultaten visar att i detta fall delar sig den lägsta mode inte, den andra i tre nivåer och den tredje i fem nivåer. Den fenomenologiska perturbationsteorin som utvecklats här förklarar detta beteende och ger en enkel regel som definierar antalet nivåer som motsvarar mode-numret i det symmetriska fallet som .2i − 1.

Effekterna av lutningsvinkeln på spin-waves är dessutom beroende av de specifika fysiska förhållandena i den aktuella nanostrukturen. I vissa fall, där exempelvis randvillkoren eller strukturens geometri spelar en viktig roll, kan effekterna av lutningen vara mer eller mindre uttalade. Vidare krävs ytterligare forskning för att förstå hur dessa effekter påverkar större system och komplexa geometrier, såsom nanoringar och nanodisks med mer intrikata strukturella egenskaper.

Vid studier av magnetiska nanostrukturer, exempelvis ferromagnetiska ringar, har det visats att både statiska och dynamiska magnetiska egenskaper kan modifieras av geometriska förändringar och defekter i strukturen. Genom att justera de inre och yttre radierna hos en ring, samt materialets sammansättning, kan de magnetiska egenskaperna, som magnetiseringens riktning och stabilitet, påverkas i stor utsträckning. Detta gör dessa nanostrukturer till ett intressant ämnesområde för både grundläggande och tillämpad forskning.

Hur påverkar metanolproduktion och katalysatorer CO2-reduktion och kostnadseffektivitet?
Hur celler och gener bidrar till neurodegenerativa sjukdomar som ALS
Hur den nya konspirationismen urholkar demokratin: De långsamma men allvarliga konsekvenserna