Kvantu punkts ir ļoti maza ierīce, kas  satur tikai dažus brīvos elektronus. Tos parasti veido pusvadītāju materiālos un to raksturīgie izmēri ir no nanometriem līdz dažiem mikrometriem. To formu un struktūru, un līdz ar to arī elektronu skaitu, ko tie ietver, var ļoti precīzi kontrolēt. Kvantu punkti var saturēt sākot ar vienu un beidzot ar dažiem tūkstošiem elektronu. Šo ierīču fizikālajā uzvedībā var vilkt daudzas paralēles ar dabiski novērojamām kvantu sistēmām atomu un kodolu fizikā.

Līdzīgi kā atomos, kvantu punktos elektronu enerģijas līmeņi ir kvantizēti, taču atšķirība ir tā, ka kvantu punktu var ļoti viegli pieslēgt elektrodiem, līdz ar to tas ir pirmšķirīgs instruments, lai pētītu atomam piemītošas īpašības. Ir ļoti daudz interesantu īpašību, kas pēdējās desmitgades laikā ir noteiktas kvantu punktiem. Viena no šīm parādībām ir „mākslīgie atomi”.

Ap atomiem esošā 3D sfēriski simetriskā potenciāla dēļ veidojas elektronu čaulas 1s, 2s, 3s, 3p, ... Katra no šīm čaulām var saturēt stingri noteiktu maksimālo elektronu skaitu. Elektronu konfigurācijas čaulas ir īpaši stabilas, ja šīs čaulas ir pilnībā aizpildītas. Skaitļu virkne 2, 10, 18, 36 ..., kas apzīmē maksimālo elektronu skaitu katrā čaulā, tiek saukta par atoma „maģiskajiem” skaitļiem.  

Ļoti līdzīgā veidā 2D simetrija ap diskveida kvantu punktu ir noteicošais faktors čaulu struktūrai ar maģiskajiem skaitļiem 2, 6, 12, 20, ... Tieši šī pakāpi zemākā simetrija ir galvenais iemesls, kādēļ 2D sistēmā „maģiskie” skaitļi ir citādi nekā 3D sistēmai. Mērot elektronu pārvietošanos caur kvantu punktiem, ir izveidota 2D „mākslīgo” atomu periodiskā sistēma, kas redzama 2. attēlā.

Lai pētītu elektronu pārvietošanos kvantu punktos, šie punkti caur potenciālajām barjerām tiek savienoti ar izteces un noteces kontaktiem. Ja šīs barjeras ir pietiekoši biezas, elektronu skaits kvantu punktā ir strikti noteikts daudzums N. Šis skaitlis mainās, ja elektroni caur barjeru vai nu pienāk klāt, vai aiziet prom no minētās kvantu sistēmas. Taču, pateicoties Kulona atgrūšanās spēkiem, kvantu punkta enerģija ar N+1 elektronu ir lielāka nekā ar N elektroniem. Līdz ar to jauna elektrona pievienošana prasa zināmu devu enerģijas.


1.attēls. Kvantu punkta shematisks attēlojums.

Rezultātā caur kvantu punktu nenotiek strāvas plūsma. Taču pievienojot trešo elektrodu, kas pazīstams ar nosaukumu "aizvars", ir iespējams kvantu punktam pievadīt papildus enerģiju un līdz ar to sagaidīt strāvas plūsmu starp izteci un noteci.

„Maģiskie” skaitļi atklājas tādā griezumā, ka otrajam, sestajam un divpadsmitajam elektronam ir nepieciešama ievērojami lielāka enerģija, lai to pievienotu, nekā citiem elektroniem. Kvantu punkti ir 2D analoģija reāliem atomiem un dažu eksperimentu veikšanai tie ir daudz piemērotāki.



2.attēls. "Mākslīgo" atomu periodiskā sistēma.

Avots: Kvantu punkti