נקודה קוונטית

נקודה קוונטית היא חלקיק ננומטרי העשוי מוליך-למחצה. בפנים יש תיחום קוונטי (quantum confinement), כלומר גל האלקטרון כלוא במרחב כמו בבור פוטנציאל, וזה משנה את רמות האנרגיה. הן התגלו בתחילת שנות ה־80 ונחקרות מאז לשימושים רפואיים, חישוב קוונטי, דיודות פולטות אור ותאים סולריים.

גודל הנקודות משתנה מננומטר אחד ועד עשרות ננומטרים, והן מכילות עשרות עד אלפי אטומים. התכונות הפיזיקליות נקבעות לפי החומר, הגודל והצורה. התיחום הקוונטי משנה את מבנה פסי האנרגיה, ולכן נקודות קוונטיות נתפסות כ"אטומים מלאכותיים", רמות האנרגיה שלהן בדידות כמו באטום, אך הפוטנציאל אינו חייב להיות סימטרי.

במוליכים למחצה יכולים להיווצר אקסיטונים (אלקטרון וחור קשורים). בתוך נקודה קוונטית האקסיטון כלוא, מה שיוצר ספקטרום אנרגיה בדיד ומספר מצומצם של פסי הולכה.

ניתן ליצור נקודות קוונטיות בצורות ובמבנים שונים. הצורה והמבנה הגאומטרי משפיעים על פונקציית הגל ועל התכונות האופטיות והאלקטרוניות.

נקודות קוונטיות יכולות להיווצר לעיתים נדירות באופן ספונטני. בנייה מלאכותית כוללת גידול גרעין שעליו מגדלים שכבות נוספות. בהטרואפיטקסיה (Stranski, Krastanov) נוצרים "איים" ננומטריים על המצע, והאיים האלה יכולים להפוך לנקודות קוונטיות.

סינתזה קולואידית מתבצעת בסביבה נוזלית או גזית שבה נוצרים גרעינים ומתפתחים חלקיקים ננומטריים. בשיטה זו אפשר לשלוט בגודל על ידי עצירת התהליך בזמן. אפשר גם לשקוע, לריבד ולבצע מניפולציות אחרות, ולכן היא מתאימה לייצור המוני.

היכולת לשלוט בגודל, בצורה ובחומר מאפשרת להתאים נקודות קוונטיות לאפליקציות אופטיות ואלקטרוניות. מדברים על שימוש בלייזרי דיודה, מגברים אופטיים, תאים פוטו-וולטאים, חיישנים ביולוגיים ודימות ביולוגי. נקודות קוונטיות גם יכולות ליצור צבע בתמיסות, כשהצבע תלוי בגודל החלקיקים. אמנם הייתה בעיה של הבהוב אקראי בפלואורסצנציה, אך מבני ליבה-מעטפת עוזרים להקטין זאת.

בנוסף, במקרים מסוימים כל נקודה קוונטית יכולה להפיק פוטון בודד כאשר אלקטרון דועך. מאפיין זה חשוב לתקשורת קוונטית, מדידה קוונטית וחישוב קוונטי.

נקודה קוונטית היא חלקיק קטן מאוד. ננומטר (יחידת אורך) הוא מאוד מאוד קטן. בנקודה קוונטית אלקטרון כלוא כמו כדור בבור. לכן יש לה רמות אנרגיה מיוחדות.

הן קטנות עד עשרות ננומטרים. כל נקודה כזו מכילה כמה עשרות עד אלפי אטומים. החומר, הגודל והצורה קובעים איך היא מתנהגת. לפעמים בתוך נקודה קוונטית נוצרים אקסיטונים. אקסיטון הוא אלקטרון וחור שנקשרים זה לזה.

יש נקודות קוונטיות בצורות שונות. הצורה משנה את האור וההתנהגות שלהן.

לפעמים הן נוצרות לבד לעתים נדירות. בני אדם גם מייצרים אותן. שיטה אחת יוצרת "איים" זעירים על משטח. שיטה אחרת היא בסביבה נוזלית, שבה חלקיקים מתחילים לגדול. משיטה זו אפשר לעצור בזמן ולקבל גודל מסוים.

הן משמשות במכשירים כמו לייזרים ותאים סולריים. משתמשים בהן גם לדימות רפואי, לצלם איברים. בגודל שונה הן מייצרות צבעים שונים במים. יש בעיה של הבהוב בהארה, אבל פותרים אותה בעזרת מבנה ליבה-מעטפת. נקודה קוונטית יכולה לפלוט פוטון אחד בלבד. פוטון הוא חלקיק של אור. זה חשוב למחשבים ותקשורת של העתיד.