(Phys.org) — Halfgeleiderkwantumdots worden op grote schaal bestudeerd voor hun mogelijke gebruik in toekomstige kwantumtechnologieën. Een van de redenen voor hun aantrekkingskracht is dat ze kwantumbits zoals excitonen en spins erin kunnen opsluiten. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben een kwantumstip gemaakt die een exciton bevat in de vorm van een elektron gebonden aan een lichtgat. Het gebruik van een licht (in tegenstelling tot zwaar) gat zou de kwantumstippen in staat kunnen stellen specifieke voordelen te hebben voor kwantuminformatietechnologieën.

Het team van onderzoekers, YH Huo, et al., van instituten in Duitsland, Nederland, en Oostenrijk, hebben hun paper over lichtgat-excitons opgesloten in kwantumstippen gepubliceerd in een recent nummer van Natuurfysica .

Zoals de onderzoekers uitleggen, zware gaten en lichte gaten gedragen zich anders omdat ze zich op verschillende valentie-energiebanden in een halfgeleidend materiaal bevinden. Om deze gaten te maken, de onderzoekers prikkelden de elektronen in deze energiebanden met behulp van licht. Wanneer een aangeslagen elektron naar de geleidingsband gaat, het laat een lege toestand achter in een van de valentiebanden. Dit ontbrekende elektron gedraagt ​​zich als een deeltje (een gat) met positieve lading en een massa die afhangt van de valentieband waarin het zich bevindt. Een gat in de zogenaamde "lichtgatband" gedraagt ​​zich als een deeltje met een massa die meerdere keer lager dan een gat in de "heavy-hole" band.

Tot dusver, alle experimentele studies waarin gaten in kwantumstippen zijn opgesloten, hebben zware gaten gebruikt omdat ze vanuit energetisch oogpunt gemakkelijker te beperken zijn. Echter, sommige theoretische analyses hebben gesuggereerd dat het gebruik van lichte gaten in plaats van zware gaten gunstig zou zijn voor kwantuminformatietechnologieën. Mogelijke voordelen zijn onder meer de mogelijkheid om snellere controle te verkrijgen en meer directe metingen van de spintoestanden.

Om deze potentiële voordelen experimenteel te onderzoeken, de onderzoekers creëerden voor het eerst kwantumstippen met grondtoestanden van lichtgaten. In plaats van de kwantumpuntgeometrie volledig opnieuw te ontwerpen, ze toonden aan dat spanningstechniek kan worden gebruikt om deze stippen te maken.

De rekmethode omvat het creëren van aanvankelijk ongespannen kwantumdots in voorgespannen membranen, en vervolgens het induceren van trekspanning op de stippen door de membranen los te maken van het substraat. De trekspanning verschuift het karakter van de kwantumstippen van een overwegend zwaar gat naar een overwegend licht gat. Wanneer de membranen op een piëzo-elektrisch substraat worden geplaatst, de trekspanning kan verder worden verhoogd of verlaagd, waardoor de emissie-energie en het gatkarakter kunnen worden afgestemd. Zoals de onderzoekers zowel experimenteel als theoretisch hebben aangetoond, kwantumdots die overwegend lichte grondtoestanden bevatten, hebben een duidelijk verschillende signatuur in vergelijking met die met overwegend zware grondtoestanden.

Met behulp van stamtechniek, de onderzoekers toonden aan dat de toestand van het grondgat in de kwantumdot meer dan 95% lichtgatkarakter kan hebben voor trekspanningen van 0,4%. De quantum dots hebben ook een hoge optische kwaliteit die vergelijkbaar is met state-of-the-art quantum dots. Gecombineerd met het feit dat de membranen compatibel zijn met elektrische besturing, deze kenmerken laten zien dat kwantumstippen met beperkte lichtgaten binnenkort kunnen worden onderzocht als nieuwe bouwstenen voor kwantumtechnologieën.

"Lichtgat-excitons kunnen directe conversie mogelijk maken van de polarisatie van een foton (vliegende qubit) in de spintoestand van een elektron dat is opgesloten in een kwantumdot (stationaire qubit), " co-auteur Armando Rastelli, Hoogleraar Halfgeleiderfysica aan de Johannes Kepler Universiteit Linz in Linz, Oostenrijk, vertelde Phys.org . Rastelli is ook aangesloten bij IFW Dresden in Duitsland. "In aanvulling, spins van lichte gaten (een andere vorm van stationaire qubit) kunnen direct worden gemanipuleerd via microgolven en met hogere snelheden in vergelijking met spins van zware gaten. Specifieke experimenten zullen nodig zijn om te beoordelen welke van deze mogelijkheden in de praktijk kunnen worden gerealiseerd."

In de toekomst, de onderzoekers gaan onderzoeken hoe zware gaten lichte gaten worden, evenals andere open vragen.

"Vervolgens zijn we van plan om in detail te kijken naar de overgang van een zwaar-gat naar een licht-gat grondtoestand, " zei Rastelli. "Met de technologische benadering die in de krant wordt gebruikt, dit was niet mogelijk. We ontwerpen nu een piëzo-elektrische actuator waarmee we de emissieveranderingen soepel kunnen volgen als de toestanden van zware en lichte gaten elkaar kruisen. In aanvulling, we hebben contact met collega's die de eigenschappen van licht-gat-spins willen onderzoeken."

© 2013 Fys.org. Alle rechten voorbehouden.