(Phys.org)—I punti quantici sono nanostrutture di materiali semiconduttori che si comportano molto come singoli atomi e sono molto facili da produrre. Date le loro proprietà speciali, i ricercatori vedono un enorme potenziale per i punti quantici nelle applicazioni tecnologiche. Prima che questo possa accadere, però, abbiamo bisogno di una migliore comprensione di come si comportano gli elettroni "intrappolati" al loro interno. I fisici di Dresda hanno recentemente osservato come gli elettroni nei singoli punti quantici assorbono energia e la emettono nuovamente sotto forma di luce. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nano lettere .

I punti quantici sembrano minuscole piramidi. All'interno di ciascuna di queste nano-piramidi ci sono sempre solo uno o due elettroni che essenzialmente "sentono" le pareti costrittive che li circondano e sono quindi strettamente vincolati nella loro mobilità. Scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden e l'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali di Dresda (IFW) hanno ora studiato gli stati energetici speciali degli elettroni intrappolati all'interno di singoli punti quantici.

Livelli di energia taglienti

Il comportamento degli elettroni in un materiale ne determina essenzialmente le proprietà. Essendo vincolato spazialmente in tutte e tre le dimensioni spaziali, gli elettroni all'interno di una nano-piramide possono occupare solo livelli energetici molto specifici, motivo per cui i punti quantici sono anche chiamati "atomi artificiali". La posizione di questi livelli di energia dipende dalla composizione chimica del materiale semiconduttore e dalle dimensioni della nanopiramide. "Questi livelli di energia ben definiti vengono sfruttati, Per esempio, in laser ad alta efficienza energetica basati su punti quantici. La luce viene prodotta quando un elettrone scende da un livello energetico superiore a uno inferiore. La differenza di energia tra i due livelli determina il colore della luce, " Spiega il Dr. Stephan Winnerl di HZDR.

Vedere gli elettroni all'interno di singoli punti quantici

I ricercatori di Dresda che lavorano con il Dr. Winnerl sono stati recentemente i primi ad essere riusciti a scansionare le transizioni tra i livelli di energia in singoli punti quantici utilizzando la luce infrarossa. Sebbene, potevano farlo solo dopo aver superato un certo ostacolo:mentre le piramidi di arseniuro di indio o arseniuro di indio gallio si formano spontaneamente durante una specifica modalità di crescita dei cristalli, la loro dimensione varia entro un certo intervallo. Studiandoli con la luce infrarossa, Per esempio, si ottengono segnali sfocati perché gli elettroni in piramidi di diverse dimensioni rispondono a diverse energie infrarosse. Ecco perché è così importante ottenere una visione dettagliata degli elettroni intrappolati all'interno di un singolo punto quantico.

Gli scienziati hanno affrontato questo compito con il metodo speciale di scansione della microscopia in campo vicino. La luce laser viene proiettata su una punta metallica spessa meno di 100 nanometri, che collima fortemente la luce fino a cento volte più piccola della lunghezza d'onda della luce, che è il limite di risoluzione spaziale per le ottiche "convenzionali" che utilizzano lenti e specchi. Focalizzando questa luce collimata precisamente su una piramide, l'energia viene donata agli elettroni, eccitandoli così a un livello di energia più elevato. Questo trasferimento di energia può essere misurato osservando la luce infrarossa diffusa dalla punta in questo processo. Mentre la microscopia in campo vicino comporta importanti perdite di segnale, il raggio di luce è ancora abbastanza forte da eccitare gli elettroni all'interno di una nano-piramide. Il metodo è anche così sensibile da poter creare un'immagine su scala nanometrica in cui uno o due elettroni all'interno di un punto quantico risaltano in netto contrasto. In questo modo, Stephan Winnerl e i suoi colleghi di HZDR, più fisici di TU e IFW Dresden, studiato il comportamento degli elettroni all'interno di un punto quantico in grande dettaglio, contribuendo così alla nostra comprensione di essi.

Luce infrarossa dal laser a elettroni liberi

La luce infrarossa utilizzata negli esperimenti proveniva dal laser a elettroni liberi a HZDR. Questo laser speciale è una sorgente di radiazione infrarossa ideale per tali esperimenti perché l'energia della sua luce può essere regolata per corrispondere con precisione al livello di energia all'interno dei punti quantici. Il laser fornisce anche una radiazione così intensa da compensare ampiamente le inevitabili perdite inerenti al metodo.

"Prossimo, intendiamo rivelare il comportamento degli elettroni all'interno dei punti quantici a temperature più basse, " dice il dottor Winnerl. "Da questi esperimenti, speriamo di ottenere informazioni ancora più precise sul comportamento confinato di questi elettroni. In particolare, vogliamo ottenere una comprensione molto migliore di come gli elettroni interagiscono tra loro e con le vibrazioni del reticolo cristallino." Grazie ai suoi intensi lampi laser in un ampio, gamma spettrale liberamente selezionabile, il laser a elettroni liberi offre le condizioni ideali per il metodo della microscopia in campo vicino a Dresda, che beneficia in particolare della stretta collaborazione con il Prof. Lukas Eng della TU Dresden nell'ambito del DRESDEN-concept.