Pakning af elektroner i en nanoboks:Kontrol af mange-Krop-korrelation ved kvanteindeslutning

Et team ledet af Dr. Takashi Kuroda, Seniorforsker, og Dr. Marco Abbarchi, Forsker, fra Quantum Dot Research Center, National Institute for Materials Science, i fælles forskning med Hokkaido University, lykkedes med at kontrollere få-partikel kvantetilstanden af ​​en halvlederkvanteprik, og ændre dens korrelationsenergier. Denne forskningsresultat vil gøre det muligt at udvikle ikke-lineære halvlederenheder, som muliggør stabil kørsel med lavt strømforbrug.

Når en elektron og proton bringes i nærheden i vakuum, de to partikler tiltrækkes gensidigt af Coulomb-kraft og danner et brintatom. Hvis en anden elektron eller proton er placeret derudover, mange-legeme-effekten vil resultere i dannelsen af ​​et ionisk brintmolekyle omfattende i alt tre partikler.

Denne form for kvantetilstand findes også i faste stoffer. Et par af en elektron og hul i en halvleder danner en exciton, analogt med et hydrogenatom. Hvis der tilføjes en anden elektron eller hul, en kompleks tilstand af tre partikler, kaldet en ladet exciton, er dannet. I en halvleder, i modsætning til brint i vakuum, det er muligt at begrænse elektroner og huller i kvanteprikker, dvs. et ekstremt lille rum i størrelsesordenen adskillige nanometer, og en stigning i stabiliseringsenergien af ​​den multi-elektroniske tilstand kan forventes.

I denne forskning, galliumarsenid (GaAs) kvanteprikker indlejret i aluminium galliumarsenid (AlGaAs), fremstillet ved dråbeepitaximetoden blev anvendt. Denne metode blev oprindeligt udviklet af NIMS. Som et karakteristisk træk ved kvanteprikkerne, længden af ​​krystalgitteret er perfekt afstemt mellem gæste- og værtsmaterialerne.

Som resultat, en hidtil uset ren kvantestruktur blev realiseret. Det lykkedes os at observere ladede excitoner ved at måle fotonemissionssignalerne fra enkelte kvanteprikker. I særdeleshed, når stabiliseringsenergien af ​​ladede excitoner blev sammenlignet med den for en kvantebrøndstruktur af samme type materiale, som tidligere var kendt for at være ~1 meV, det viste sig at have en værdi mere end 10 gange større. Denne stigning i mange-legemes energi skyldes en bemærkelsesværdig stigning i Coulomb-kraften mellem i mange-partikel-systemet, som er et resultat af pakning af elektroner i et 3-dimensionelt nano-rum. Dette resultat belyser for første gang effekten af ​​indeslutning af en multi-elektrontilstand i et nano-rum, som ikke havde været kendt tidligere, og dermed er et resultat med ekstremt stor videnskabelig gennemslagskraft.

Fra et synspunkt om anvendt teknologi, fordi elektronkorrelation også er kilden til forskellige typer ikke-lineære effektenheder såsom optiske omskiftningsenheder og lasere, hvis interaktionsintensiteten kan styres ved hjælp af nanostrukturer, dette kan forventes at føre til udviklingen af ​​optiske halvlederenheder, som muliggør stabilt drev med lavt strømforbrug.