Fysikere begrænser elektroner inde i nano-pyramider

(Phys.org) – Kvanteprikker er nanostrukturer af halvledende materialer, der opfører sig meget som enkelte atomer og er meget nemme at producere. På grund af deres særlige egenskaber, forskere ser et stort potentiale for kvanteprikker i teknologiske anvendelser. Før dette kan ske, imidlertid, vi har brug for en bedre forståelse af, hvordan elektronerne "fanget" inde i dem opfører sig. Dresden -fysikere har for nylig observeret, hvordan elektroner i individuelle kvantepunkter absorberer energi og udsender den igen som lys. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Kvanteprikker ligner små pyramider. Inde i hver af disse nano-pyramider er der altid kun en eller to elektroner, der i det væsentlige "føler" de snærende vægge omkring dem og derfor er tæt begrænset i deres mobilitet. Forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden og Leibniz Institut for Faststof- og Materialeforskning Dresden (IFW) har nu undersøgt de særlige energitilstande for elektronerne fanget inde i individuelle kvanteprikker.

Skarpe energiniveauer

Elektronernes opførsel i et materiale bestemmer i det væsentlige dets egenskaber. At være rumligt begrænset i alle tre rumlige dimensioner, elektroner inde i en nanopyramide kan kun optage meget specifikke energiniveauer-derfor kaldes kvantepunkter også "kunstige atomer". Hvor disse energiniveauer ligger afhænger af den kemiske sammensætning af halvledermaterialet samt størrelsen af ​​nano-pyramiden. "Disse skarpt definerede energiniveauer udnyttes, for eksempel, i meget energieffektive lasere baseret på kvanteprikker. Lyset dannes, når en elektron falder fra et højere energiniveau til et lavere. Energiforskellen mellem de to niveauer bestemmer lysets farve, " Dr. Stephan Winnerl fra HZDR forklarer.

At se elektroner inde i individuelle kvantepunkter

Forskerne i Dresden, der arbejder med Dr. Winnerl, var for nylig de første, der lykkedes med at scanne overgange mellem energiniveauer i enkelte kvanteprikker ved hjælp af infrarødt lys. Selvom, de kunne kun gøre dette efter at have overvundet en vis forhindring:Mens pyramiderne af indium arsenid eller indium gallium arsenid dannes spontant under en specifik måde for krystalvækst, deres størrelse varierer inden for et bestemt område. Studerer dem med infrarødt lys, for eksempel, man opnår slørede signaler, fordi elektroner i pyramider af forskellig størrelse reagerer på forskellige infrarøde energier. Det er derfor, det er så vigtigt at få et detaljeret billede af elektronerne fanget inde i en enkelt kvanteprik.

Forskerne nærmede sig denne opgave med den specielle metode til scanning af nærfeltsmikroskopi. Laserlys skinner på en metallisk spids, der er mindre end 100 nanometer tyk, som kraftigt kollimerer lyset til hundrede gange mindre end lysets bølgelængde, som er den rumlige opløsningsgrænse for "konventionel" optik, der bruger linser og spejle. Ved at fokusere dette kollimerede lys præcist på én pyramide, energi doneres til elektronerne, derved spændende dem til et højere energiniveau. Denne energioverførsel kan måles ved at se det infrarøde lys spredt fra spidsen i denne proces. Mens nærfeltsmikroskopi involverer store signaltab, lysstrålen er stadig stærk nok til at excitere elektronerne inde i en nano-pyramide. Metoden er også så følsom, at den kan skabe et billede i nanoskala, hvor den ene eller to elektroner inde i en kvanteprik skiller sig ud i klar kontrast. På denne måde, Stephan Winnerl og hans kolleger fra HZDR, plus fysikere fra TU og IFW Dresden, studerede elektronernes adfærd inde i en kvantepunkt meget detaljeret, og derved bidrage til vores forståelse af dem.

Infrarødt lys fra den frie elektronlaser

Det infrarøde lys, der blev brugt i eksperimenterne, kom fra den frie elektronlaser ved HZDR. Denne specielle laser er en ideel infrarød strålingskilde til sådanne eksperimenter, fordi energien af ​​dens lys kan justeres til præcist at matche energiniveauet inde i kvanteprikkerne. Laseren afgiver også så intens stråling, at den mere end opvejer de uundgåelige tab, der ligger i metoden.

"Næste, vi har til hensigt at afsløre elektronernes adfærd inde i kvanteprikker ved lavere temperaturer, "Dr. Winnerl siger." Fra disse forsøg, vi håber at få endnu mere præcis indsigt i disse elektroners begrænsede adfærd. I særdeleshed, vi ønsker at få en meget bedre forståelse af, hvordan elektronerne interagerer med hinanden såvel som med vibrationerne i krystalgitteret." Takket være dets intense laserglimt i en bred, frit valgbart spektralområde, den gratis elektronlaser tilbyder ideelle betingelser for metoden til nærfeltmikroskopi i Dresden, som især nyder godt af det tætte samarbejde med prof. Lukas Eng fra TU Dresden inden for rammerne af DRESDEN-konceptet.