Un team guidato dal Dr. Takashi Kuroda, Ricercatore senior, e il Dott. Marco ABBarchi, Ricercatore, del Quantum Dot Research Center, Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali, in ricerca congiunta con l'Università di Hokkaido, è riuscito a controllare lo stato quantico di poche particelle di un punto quantico a semiconduttore, e cambiando le sue energie di correlazione. Questo risultato della ricerca consentirà di sviluppare dispositivi non lineari a semiconduttore che consentono un azionamento stabile con un basso consumo energetico.

Quando un elettrone e un protone vengono avvicinati nel vuoto, le due particelle sono reciprocamente attratte dalla forza di Coulomb e formano un atomo di idrogeno. Se viene aggiunto un altro elettrone o protone, l'effetto a molti corpi risulterà nella formazione di una molecola di idrogeno ionico comprendente un totale di tre particelle.

Questo tipo di stato quantistico esiste anche nei solidi. Una coppia di un elettrone e una lacuna in un semiconduttore formano un eccitone, analogo a un atomo di idrogeno. Se viene aggiunto un altro elettrone o lacuna, uno stato complesso di tre particelle, chiamato un eccitone carico, è formato. In un semiconduttore, a differenza dell'idrogeno nel vuoto, è possibile confinare elettroni e buchi in punti quantici, cioè., uno spazio estremamente piccolo dell'ordine di diversi nanometri, e ci si può aspettare un aumento dell'energia di stabilizzazione dello stato multielettronico.

In questa ricerca, punti quantici di arseniuro di gallio (GaAs) incorporati nell'arseniuro di gallio di alluminio (AlGaAs), fabbricati con il metodo dell'epitassia delle goccioline. Questo metodo è stato originariamente sviluppato da NIMS. Come caratteristica distintiva dei punti quantici, la lunghezza del reticolo cristallino è perfettamente abbinata tra i materiali dell'ospite e dell'ospite.

Di conseguenza, è stata realizzata una struttura quantistica pulita senza precedenti. Siamo riusciti a osservare gli eccitoni carichi misurando i segnali di emissione di fotoni da singoli punti quantici. In particolare, quando l'energia di stabilizzazione degli eccitoni carichi è stata confrontata con quella di una struttura a pozzo quantistico dello stesso tipo di materiale, che in precedenza era noto per essere ~ 1 meV, è risultato avere un valore più di 10 volte maggiore. Questo aumento dell'energia a molti corpi è dovuto a un notevole aumento della forza di Coulomb nel sistema a molte particelle risultante dall'impacchettamento di elettroni in un nanospazio tridimensionale. Questo risultato chiarisce per la prima volta l'effetto del confinamento di uno stato multielettronico in un nanospazio, che in passato non si conosceva, e quindi è un risultato di grandissimo impatto scientifico.

Dal punto di vista della tecnologia applicata, poiché la correlazione elettronica è anche la fonte di diversi tipi di dispositivi ad effetto non lineare come dispositivi di commutazione ottica e laser, se l'intensità dell'interazione può essere controllata utilizzando nanostrutture, ci si può aspettare che ciò porti allo sviluppo di dispositivi ottici a semiconduttore che consentono un'unità stabile con un basso consumo energetico.