一种名为量子点(Qdots)的微小但强大的半导体有朝一日可以驱动超强大的计算机。

量子点是挤在直径只有几纳米的空间中的晶体。它们目前用于太阳能电池或 LED 等产品中，通过高效吸收或发射光来工作。光的数量或颜色通过量子点尺寸、化学成分和晶体结构进行微调，这些由化学家在实验室或工厂设计。

这些应用依赖于电子在所谓“量子化”能级上的激发或弛豫，但“量子点的未来并不在于鲜艳的色彩或产生多少电能，” 雪城大学化学系教授兼系主任马修·梅耶 (Mathew Maye)说。

相反，未来是关于电子自旋在这些能级上会发生什么——以新的方式测量或纵它。

例如，原子中的每个电子都具有两种自旋状态之一，“向上”或“向下”，这描述了其轨道。然后自旋可以“配对”，即自旋向上的电子与自旋向下的电子结合，或者当剩下一个电子时不配对，即自旋向上或向下。不配对电子的数量会影响材料的磁性。当单个电子在 Qdot 中被激发时，它应该保持相同的自旋，但未来可能会有办法设计或翻转其自旋。

这种能力将为通信和信息存储提供新的途径，从而实现强大的量子计算机和重要的密码技术，它们使用自旋态来存储信息，而不是传统计算机的“1”和“0”位。

为此，Maye 在美国 (DOE) 的资助下与布鲁克海文国家实验室及其功能纳米材料中心合作，制造和测试新一代 Qdots。

“我们提议设计新的合金和磁性量子点，其成分或尺寸使电子更容易被外部刺激测量或纵，”Maye 说。“这需要考虑如何诱导极化或添加哪些能级以便在激发过程中捕获、纵或转移电子。”

但合成这样的量子点只是一个挑战，因为电子激发和传输是一个非常快的过程 - 几分之一纳秒，或者准确地说，在皮秒(10-12)到纳秒(10-9)的数量级 - 而且自旋甚至更难测量，需要低温、磁场和更高精度的仪器。

布鲁克海文的科学家在这方面发挥着非常重要的作用。他们设计、建造和获取此类“超快”仪器，让研究人员能够测量这些过程。“我们将与那里的专家密切合作，”梅耶说。

该项目将为雪城大学的学生提供材料化学、光刻和量子计算方面的研究机会。

“我很高兴培训我们的本科生和研究生，不仅让他们使用我们的化学方法来设计和制造这些新的量子点，还可以和他们一起去布鲁克海文进行他们自己的最先进的测量。”梅耶说。