Onderzoekers uit Bazel, Bochum, en Kopenhagen hebben nieuwe inzichten gekregen in de energietoestanden van kwantumstippen. Het zijn halfgeleider nanostructuren en veelbelovende bouwstenen voor kwantumcommunicatie. Met hun experimenten, de wetenschappers bevestigden bepaalde energietransities in kwantumstippen die voorheen alleen theoretisch waren voorspeld:het zogenaamde radiative Auger-proces. Voor hun onderzoeken de onderzoekers in Bazel en Kopenhagen gebruikten speciale monsters die het team van de leerstoel Toegepaste Vaste-stoffysica aan de Ruhr-Universität Bochum had gemaakt. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , online gepubliceerd op 15 juni 2020.

Ladingsdragers opsluiten

Om een ​​kwantumpunt te maken, de Bochum-onderzoekers gebruiken zelforganiserende processen bij kristalgroei. In het proces, ze produceren miljarden nanometergrote kristallen van, bijvoorbeeld, indiumarsenide. Hierin kunnen ze ladingsdragers opsluiten, zoals een enkel elektron. Dit construct is interessant voor kwantumcommunicatie omdat informatie kan worden gecodeerd met behulp van ladingsdragerspins. Voor deze codering is het is noodzakelijk om de spin van buitenaf te kunnen manipuleren en af ​​te lezen. Tijdens het uitlezen, kwantuminformatie kan worden ingeprent in de polarisatie van een foton, bijvoorbeeld. Dit draagt ​​de informatie vervolgens met de snelheid van het licht verder en kan worden gebruikt voor de overdracht van kwantuminformatie.

Dit is waarom wetenschappers geïnteresseerd zijn, bijvoorbeeld, in wat er precies gebeurt in de quantum dot wanneer energie van buitenaf op het kunstmatige atoom wordt gestraald.

Bijzondere energietransities gedemonstreerd

Atomen bestaan ​​uit een positief geladen kern die is omgeven door een of meer negatief geladen elektronen. Wanneer een elektron in het atoom een ​​hoge energie heeft, het kan zijn energie verminderen door twee bekende processen:bij het eerste proces komt de energie vrij in de vorm van een enkel kwantum licht (een foton) en worden de andere elektronen onaangetast. Een tweede mogelijkheid is een Auger-proces, waar het hoogenergetische elektron al zijn energie aan andere elektronen in het atoom geeft. Dit effect werd in 1922 ontdekt door Lise Meitner en Pierre Victor Auger.

Ongeveer een decennium later, een derde mogelijkheid is theoretisch beschreven door de natuurkundige Felix Bloch:in het zogenaamde stralende Auger-proces, het aangeslagen elektron vermindert zijn energie door het aan beide over te dragen, een lichtkwantum en een ander elektron in het atoom. Een halfgeleider quantum dot lijkt in veel opzichten op een atoom. Echter, voor kwantumstippen, het stralende Auger-proces was tot nu toe alleen theoretisch voorspeld. Nutsvoorzieningen, de experimentele waarneming is gedaan door onderzoekers uit Bazel. Samen met hun collega's uit Bochum en Kopenhagen, de in Basel gevestigde onderzoekers Dr. Matthias Löbl en professor Richard Warburton hebben het stralings-Auger-proces waargenomen in de limiet van slechts een enkel foton en één Auger-elektron. Voor de eerste keer, de onderzoekers toonden het verband aan tussen het stralende Auger-proces en kwantumoptica. Ze laten zien dat kwantumoptica-metingen met de stralings Auger-emissie kunnen worden gebruikt als een hulpmiddel om de dynamiek van het enkele elektron te onderzoeken.

Toepassingen van kwantumstippen

Met behulp van het stralende Auger-effect, wetenschappers kunnen ook nauwkeurig de structuur bepalen van de kwantummechanische energieniveaus die beschikbaar zijn voor een enkel elektron in de kwantumstip. Tot nu, dit kon alleen indirect via berekeningen in combinatie met optische methoden. Nu is een direct bewijs geleverd. Dit helpt om het kwantummechanische systeem beter te begrijpen.

Om ideale kwantumdots voor verschillende toepassingen te vinden, vragen als de volgende moeten worden beantwoord:hoeveel tijd blijft een elektron in de energetisch aangeslagen toestand? Welke energieniveaus vormen een kwantumpunt? En hoe is dit te beïnvloeden door middel van productieprocessen?

Verschillende kwantumstippen in stabiele omgevingen

De groep observeerde het effect niet alleen in kwantumstippen in indiumarsenidehalfgeleiders. Het Bochum-team van Dr. Julian Ritzmann, Dr. Arne Ludwig en professor Andreas Wieck slaagden er ook in om een ​​quantum dot te maken uit de halfgeleider galliumarsenide. In beide materiaalsystemen het team uit Bochum heeft een zeer stabiele omgeving van de kwantumdot bereikt, wat bepalend is geweest voor het stralende Auger-proces. Al vele jaren, de groep van Ruhr-Universität Bochum heeft gewerkt aan de optimale omstandigheden voor stabiele kwantumstippen.