Kvanteprikker med lukkede lyshuller kunne have anvendelser i kvanteteknologier

(Phys.org) — Halvlederkvanteprikker bliver bredt undersøgt for deres potentielle brug i fremtidige kvanteteknologier. En af grundene til deres appel er, at de kan begrænse kvantebits såsom excitoner og spins inde i dem. I en ny undersøgelse, forskere har skabt en kvanteprik, der indeholder en exciton i form af en elektron bundet til et lyshul. Brugen af ​​et let (i modsætning til tungt) hul kunne gøre det muligt for kvanteprikkerne at have specifikke fordele for kvanteinformationsteknologier.

Holdet af forskere, Y. H. Huo, et al., fra institutter i Tyskland, Holland, og Østrig, har udgivet deres papir om lys-hul excitoner begrænset i kvanteprikker i et nyligt nummer af Naturfysik .

Som forskerne forklarer, tunge huller og lette huller opfører sig forskelligt, fordi de er placeret på forskellige valensenergibånd i et halvledende materiale. For at skabe disse huller, forskerne exciterede elektronerne i disse energibånd ved hjælp af lys. Når en exciteret elektron bevæger sig til ledningsbåndet, det efterlader en tom tilstand i et af valensbåndene. Denne manglende elektron opfører sig som en partikel (et hul) med positiv ladning og en masse, der afhænger af hvilket valensbånd den befinder sig i. Et hul i det såkaldte "lyshulsbånd" opfører sig som en partikel med en masse på flere gange lavere end et hul i "heavy-hole"-båndet.

Indtil nu, alle eksperimentelle undersøgelser, hvor huller er indespærret i kvanteprikker, har brugt tunge huller, fordi de er nemmere at begrænse fra et energimæssigt synspunkt. Imidlertid, nogle teoretiske analyser har antydet, at brug af lette huller i stedet for tunge huller ville være gavnligt for kvanteinformationsteknologier. Potentielle fordele inkluderer evnen til at opnå hurtigere kontrol og mere direkte målinger af spintilstandene.

For eksperimentelt at undersøge disse potentielle fordele, forskerne skabte for første gang kvanteprikker med lyshullers grundtilstande. I stedet for fuldstændigt at redesigne kvantepunktgeometrien, de demonstrerede, at strain engineering kunne bruges til at skabe disse prikker.

Strain-metoden involverer at skabe initialt uanstrengte kvanteprikker i forspændte membraner, og derefter inducere trækspænding på prikkerne ved at frigøre membranerne fra substratet. Trækbelastningen flytter kvanteprikkernes karakter fra dominerende tungt hul til dominerende let hul. Når membranerne placeres på et piezoelektrisk substrat, trækbelastningen kan øges eller mindskes yderligere, gør det muligt at indstille emissionsenergien og hulkarakteren. Som forskerne viste både eksperimentelt og teoretisk, kvanteprikker, der indeholder dominerende lette hul-grundtilstande, har en klart distinkt signatur sammenlignet med dem med dominerende tunge-hul-grundtilstande.

Ved hjælp af strain engineering, forskerne påviste, at jordhulstilstanden i kvanteprikken kan have mere end 95 % lyshulskarakter for trækspændinger på 0,4 %. Kvanteprikkerne har også en høj optisk kvalitet, der kan sammenlignes med den af ​​state-of-the-art kvanteprikker. Kombineret med det faktum, at membranerne er kompatible med elektrisk styring, disse funktioner viser, at kvanteprikker med lukkede lyshuller snart kan udforskes som nye byggesten til kvanteteknologier.

"Lyshul-excitoner kan muliggøre direkte konvertering af polariseringen af ​​en foton (flyvende qubit) til spintilstanden af ​​en elektron indespærret i en kvanteprik (stationær qubit), " medforfatter Armando Rastelli, Professor i halvlederfysik ved Johannes Kepler University Linz i Linz, Østrig, fortalte Phys.org . Rastelli er også tilknyttet IFW Dresden i Tyskland. "Ud over, let-hul-spin (en anden form for stationære qubit) kan manipuleres direkte via mikrobølger og med højere hastigheder sammenlignet med tunge-hul-spin. Dedikerede eksperimenter vil være nødvendige for at vurdere, hvilke af disse potentialer, der kan realiseres i praksis."

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge, hvordan tunge huller bliver til lette huller, samt andre åbne spørgsmål.

"Dernæst planlægger vi at se nærmere på overgangen fra et tungt hul til en let hul jordtilstand, " sagde Rastelli. "Med den teknologiske tilgang, der blev brugt i papiret, dette var ikke muligt. Vi er nu ved at designe en piezoelektrisk aktuator, som kan give os mulighed for jævnt at følge emissionsændringerne, når tunge og lette hultilstande krydser hinanden. Ud over, vi er i kontakt med kolleger, der planlægger at undersøge egenskaberne ved lethulsspin."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.