(Phys.org) — Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en andere laboratoria hebben een proces aangetoond waarbij kwantumdots zichzelf kunnen assembleren op optimale locaties in nanodraden, een doorbraak die zonnecellen zou kunnen verbeteren, kwantumcomputers, en verlichtingstoestellen.

Een paper over de nieuwe technologie, "Zelf-geassembleerde Quantum Dots in een Nanowire-systeem voor Quantum Photonics, " verschijnt in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen .

Quantum dots zijn minuscule halfgeleiderkristallen met een diameter van enkele miljardsten van een meter. Op die grootte vertonen ze gunstig gedrag van de kwantumfysica, zoals het vormen van elektron-gatparen en het oogsten van overtollige energie.

De wetenschappers demonstreerden hoe kwantumstippen zichzelf kunnen assembleren aan de top van de nanodraad-interface van galliumarsenide/aluminium galliumarsenide. Cruciaal, de kwantumstippen, behalve dat het zeer stabiel is, kan precies worden gepositioneerd ten opzichte van het midden van de nanodraad. Die precisie, gecombineerd met het vermogen van de materialen om kwantumopsluiting te bieden voor zowel de elektronen als de gaten, maakt de aanpak een potentiële game-changer.

Elektronen en gaten bevinden zich meestal in de laagste energiepositie binnen de grenzen van hoogenergetische materialen in de nanostructuren. Maar in de nieuwe demonstratie, het elektron en het gat, op een bijna ideale manier overlappen, zijn opgesloten in de kwantumstip zelf bij hoge energie in plaats van in de laagste energietoestanden. In dit geval, dat is de gallium-arsenide kern. Het is alsof je de roos raakt in plaats van de periferie.

De kwantumstippen, als resultaat, zijn erg helder, spectraal smal en zeer anti-gebundeld, die uitstekende optische eigenschappen vertonen, zelfs als ze zich op slechts enkele nanometers van het oppervlak bevinden - een eigenschap die zelfs de wetenschappers verraste.

"Sommige Zwitserse wetenschappers kondigden aan dat ze dit hadden bereikt, maar wetenschappers op de conferentie hadden het moeilijk om het te geloven, " zei NREL senior wetenschapper Jun-Wei Luo, een van de co-auteurs van het onderzoek. Luo ging aan de slag met het bouwen van een quantum-dot-in-nanodraadsysteem met behulp van NREL's supercomputer en kon aantonen dat ondanks het feit dat de algehele bandranden worden gevormd door de galliumarsenidekern, de dunne aluminiumrijke barrières zorgen voor kwantumopsluiting, zowel voor de elektronen als voor de gaten in de aluminiumarme kwantumstip. Dat verklaart de oorsprong van de hoogst ongebruikelijke optische overgangen.

Er zijn meerdere praktische toepassingen mogelijk. Het feit dat stabiele kwantumdots heel dicht bij het oppervlak van de nanodraden kunnen worden geplaatst, biedt een enorm potentieel voor hun gebruik bij het detecteren van lokale elektrische en magnetische velden. De kwantumstippen kunnen ook worden gebruikt om converters op te laden voor een betere lichtoogst, zoals in het geval van fotovoltaïsche cellen.

Het team van wetenschappers dat aan het project werkte, was afkomstig van universiteiten en laboratoria in Zweden, Zwitserland, Spanje, en de Verenigde Staten.