Wetenschappers van het Zwitserse Nanoscience Institute en de Universiteit van Basel zijn erin geslaagd een extreem kleine kwantumdot te koppelen aan 1, 000 keer grotere trompetvormige nanodraad. De beweging van de nanodraad kan worden gedetecteerd met een gevoeligheid van 100 femtometers via de golflengte van het licht dat door de quantum dot wordt uitgezonden. Omgekeerd, de oscillatie van de nanodraad kan worden beïnvloed door excitatie van de quantum dot met een laser. Natuurcommunicatie de resultaten gepubliceerd.

Professor Richard Warburton en Argovia Professor Martino Poggio's teams in de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute aan de Universiteit van Basel werkten samen met collega's van de Grenoble Alps University en de Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) in Grenoble om een ​​microscopisch kleine mechanische resonator te koppelen met een kwantumpunt op nanoschaal. Ze gebruikten nanodraden van galliumarsenide die ongeveer 10 micrometer lang zijn en aan de bovenkant een diameter van enkele micrometers hebben. De draden lopen scherp naar beneden toe en zien er daardoor uit als kleine trompetten die op het substraat zijn gerangschikt. In de buurt van de basis, die slechts ongeveer 200 nanometer breed is, de wetenschappers plaatsten een enkele kwantumdot die individuele lichtdeeltjes (fotonen) kan uitzenden.

Opwindingen leiden tot spanningen

Als de nanodraad heen en weer oscilleert door thermische of elektrische excitatie, de relatief grote massa aan het brede uiteinde van de nano-trompet produceert grote spanningen in de draad die de kwantumdot aan de basis beïnvloeden. De kwantumstippen worden samengeperst en uit elkaar getrokken; als resultaat, de golflengte en dus de kleur van de fotonen die door de quantum dot worden uitgezonden, veranderen. Hoewel de veranderingen niet bijzonder groot zijn, gevoelige microscopen met zeer stabiele lasers - speciaal ontwikkeld in Bazel voor dergelijke metingen - zijn in staat om de golflengteveranderingen nauwkeurig te detecteren. De onderzoekers kunnen de verschoven golflengten gebruiken om de beweging van de draad te detecteren met een gevoeligheid van slechts 100 femtometers. Ze verwachten dat door de quantum dot met een laser te bekrachtigen, de oscillatie van de nanodraad kan naar wens worden verhoogd of verlaagd.

Mogelijke toepassingen in sensor- en informatietechnologie

"We zijn vooral gefascineerd door het feit dat een koppeling tussen objecten van zulke verschillende afmetingen mogelijk is, ", zegt Warburton. Er zijn ook verschillende mogelijke toepassingen voor deze onderlinge koppeling. "Bijvoorbeeld we kunnen deze gekoppelde nanodraden gebruiken als gevoelige sensoren om elektrische of magnetische velden te analyseren, " legt Poggio uit, die met zijn team de mogelijke toepassingen onderzoekt. "Het is misschien ook mogelijk om meerdere kwantumdots op de nanodraad te plaatsen, om de beweging te gebruiken om ze aan elkaar te koppelen en zo kwantuminformatie door te geven, " voegt Warburton toe, wiens groep zich richt op het diverse gebruik van kwantumstippen in fotonica.

Kunstmatige atomen met bijzondere eigenschappen

Quantum dots zijn nanokristallen, en staan ​​ook bekend als kunstmatige atomen omdat ze zich op dezelfde manier gedragen als atomen. Met een typische omvang van 10 tot 100 nanometer, ze zijn aanzienlijk groter dan de werkelijke atomen. Hun grootte en vorm, evenals het aantal elektronen, kan variëren. De bewegingsvrijheid van de elektronen in de quantum dots is aanzienlijk beperkt; de resulterende kwantumeffecten geven ze een heel speciaal optisch, magnetische en elektrische eigenschappen. Bijvoorbeeld, quantum dots kunnen na excitatie individuele lichtdeeltjes (fotonen) uitzenden, die vervolgens kunnen worden gedetecteerd met een op maat gemaakte lasermicroscoop.