Ny indsigt i energiniveauet i kvantepunkter

Forskere fra Basel, Bochum, og København har fået ny indsigt i kvanteprikkers energistatus. De er halvleder -nanostrukturer og lovende byggesten til kvantekommunikation. Med deres eksperimenter, videnskabsmændene bekræftede visse energiovergange i kvantepunkter, der tidligere kun var forudsagt teoretisk:den såkaldte radiative Auger-proces. Til deres undersøgelser, forskerne i Basel og København brugte specielle prøver, som teamet fra formanden for Applied Solid State Physics ved Ruhr-Universität Bochum havde produceret. Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Naturnanoteknologi , offentliggjort online den 15. juni 2020.

Lås op ladebærer

For at oprette en kvantepunkt, Bochum-forskerne bruger selvorganiserende processer i krystalvækst. I processen, de producerer milliarder af nanometer-store krystaller af, for eksempel, indium arsenid. I disse kan de fælde ladningsbærere, såsom en enkelt elektron. Denne konstruktion er interessant for kvantekommunikation, fordi information kan kodes ved hjælp af ladningsbærer -spins. For denne kodning, det er nødvendigt for at kunne manipulere og læse spinet udefra. Under aflæsning, kvanteinformation kan indprentes i polariseringen af ​​en foton, for eksempel. Dette fører derefter informationen videre med lysets hastighed og kan bruges til kvanteinformationsoverførsel.

Det er derfor, forskere er interesserede, for eksempel, i hvad der præcist sker i kvantepunktet, når energi bestråles udefra på det kunstige atom.

Særlige energiovergange demonstreret

Atomer består af en positivt ladet kerne, som er omgivet af en eller flere negativt ladede elektroner. Når en elektron i atomet har en høj energi, den kan reducere sin energi med to velkendte processer:i den første proces frigives energien i form af en enkelt kvante af lys (en foton), og de andre elektroner påvirkes ikke. En anden mulighed er en snegleproces, hvor elektronen med høj energi giver al sin energi til andre elektroner i atomet. Denne effekt blev opdaget i 1922 af Lise Meitner og Pierre Victor Auger.

Omkring et årti senere, en tredje mulighed er teoretisk blevet beskrevet af fysikeren Felix Bloch:i den såkaldte radiative Auger-proces, den ophidsede elektron reducerer sin energi ved at overføre den til begge dele, en let kvante og en anden elektron i atomet. En halvlederkvantumpunkt ligner et atom i mange aspekter. Imidlertid, for kvantepunkter, den strålende Auger -proces var kun teoretisk forudsagt hidtil. Nu, den eksperimentelle observation er blevet opnået af forskere fra Basel. Sammen med deres kolleger fra Bochum og København, de Basel-baserede forskere Dr. Matthias Löbl og professor Richard Warburton har observeret den strålende Auger-proces i grænsen på kun en enkelt foton og en Auger-elektron. For første gang, forskerne demonstrerede forbindelsen mellem den strålende Auger -proces og kvanteoptik. De viser, at kvanteoptiske målinger med den strålende Auger -emission kan bruges som et værktøj til at undersøge dynamikken i den enkelte elektron.

Anvendelser af kvantepunkter

Ved hjælp af den strålende snegleeffekt, forskere kan også præcist bestemme strukturen af ​​de kvantemekaniske energiniveauer, der er tilgængelige for en enkelt elektron i kvantepunktet. Indtil nu, dette var kun muligt indirekte via beregninger i kombination med optiske metoder. Nu er der opnået et direkte bevis. Dette hjælper til bedre at forstå det kvantemekaniske system.

For at finde ideelle kvantepunkter til forskellige applikationer, spørgsmål som følgende skal besvares:hvor lang tid forbliver en elektron i den energisk ophidsede tilstand? Hvilke energiniveauer danner en kvantepunkt? Og hvordan kan dette påvirkes ved hjælp af fremstillingsprocesser?

Forskellige kvantepunkter i stabile miljøer

Gruppen observerede effekten ikke kun i kvantepunkter i indiumarsenidhalvledere. Bochum -teamet fra Dr. Julian Ritzmann, Dr. Arne Ludwig og professor Andreas Wieck lykkedes også at producere en kvantepunkt fra halvlederen gallium arsenid. I begge materialesystemer, holdet fra Bochum har opnået meget stabile omgivelser ved quantum dot, som har været afgørende for den strålende snegleproces. I mange år nu, gruppen på Ruhr-Universität Bochum har arbejdet med de optimale betingelser for stabile kvantepunkter.