(Phys.org) — I punti quantici di semiconduttori sono ampiamente studiati per il loro potenziale utilizzo nelle future tecnologie quantistiche. Uno dei motivi del loro fascino è che possono confinare bit quantici come eccitoni e spin al loro interno. In un nuovo studio, i ricercatori hanno creato un punto quantico che contiene un eccitone sotto forma di un elettrone legato a un buco di luce. L'uso di un foro leggero (anziché pesante) potrebbe consentire ai punti quantici di avere vantaggi specifici per le tecnologie dell'informazione quantistica.

Il team di ricercatori, Y. H. Huo, et al., da istituti in Germania, Paesi Bassi, e Austria, hanno pubblicato il loro articolo sugli eccitoni del foro di luce confinati in punti quantici in un recente numero di Fisica della natura .

Come spiegano i ricercatori, buchi pesanti e buchi leggeri si comportano in modo diverso perché si trovano su diverse bande di energia di valenza in un materiale semiconduttore. Per creare questi fori, i ricercatori hanno eccitato gli elettroni in queste bande di energia usando la luce. Quando un elettrone eccitato si sposta nella banda di conduzione, lascia uno stato vuoto in una delle bande di valenza. Questo elettrone mancante si comporta come una particella (un buco) con carica positiva e una massa che dipende dalla banda di valenza in cui si trova. Un buco nella cosiddetta "banda del buco di luce" si comporta come una particella con una massa di diversi volte inferiore a un buco nella banda "heavy-hole".

Finora, tutti gli studi sperimentali in cui i buchi sono confinati in punti quantici hanno utilizzato buchi pesanti perché sono più facili da confinare da un punto di vista energetico. Però, alcune analisi teoriche hanno suggerito che l'utilizzo di fori leggeri invece di fori pesanti sarebbe vantaggioso per le tecnologie dell'informazione quantistica. I potenziali vantaggi includono la capacità di ottenere un controllo più rapido e misurazioni più dirette degli stati di spin.

Al fine di indagare sperimentalmente questi potenziali benefici, i ricercatori per la prima volta hanno creato punti quantici con stati fondamentali del buco di luce. Invece di ridisegnare completamente la geometria del punto quantico, hanno dimostrato che l'ingegneria della deformazione potrebbe essere utilizzata per creare questi punti.

Il metodo di deformazione prevede la creazione di punti quantici inizialmente non tesi in membrane precompresse, e quindi indurre sollecitazioni di trazione sui punti rilasciando le membrane dal substrato. La deformazione di trazione sposta il carattere dei punti quantici da foro prevalentemente pesante a foro prevalentemente leggero. Quando le membrane sono poste su un substrato piezoelettrico, lo sforzo di trazione può essere ulteriormente aumentato o diminuito, consentendo di regolare l'energia di emissione e il carattere del foro. Come i ricercatori hanno dimostrato sia sperimentalmente che teoricamente, i punti quantici che contengono stati fondamentali prevalentemente a buco leggero hanno una firma chiaramente distinta rispetto a quelli con stati base prevalentemente a buco pesante.

Utilizzando l'ingegneria della deformazione, i ricercatori hanno dimostrato che lo stato del buco di terra nel punto quantico può avere più del 95% di carattere di buco di luce per deformazioni di trazione dello 0,4%. I punti quantici hanno anche un'elevata qualità ottica paragonabile a quella dei punti quantici all'avanguardia. In combinazione con il fatto che le membrane sono compatibili con il controllo elettrico, queste caratteristiche mostrano che i punti quantici con buchi di luce confinati possono essere presto esplorati come nuovi elementi costitutivi per le tecnologie quantistiche.

"Eccitoni luce-buco possono consentire la conversione diretta della polarizzazione di un fotone (qubit volante) nello stato di spin di un elettrone confinato in un punto quantico (qubit stazionario), " coautore Armando Rastelli, Professore di Fisica dei Semiconduttori presso la Johannes Kepler University Linz di Linz, Austria, detto Phys.org . Rastelli è anche affiliato con IFW Dresden in Germania. "Inoltre, gli spin light-hole (un'altra forma di qubit stazionario) possono essere manipolati direttamente tramite microonde e a velocità più elevate rispetto agli spin heavy-hole. Saranno necessari esperimenti dedicati per valutare quali di questi potenziali possono essere realizzati nella pratica".

Nel futuro, i ricercatori intendono studiare come i buchi pesanti diventano buchi leggeri, così come altre domande aperte.

"Successivamente abbiamo in programma di esaminare in dettaglio la transizione da uno stato fondamentale a buco pesante a uno stato fondamentale a buco leggero, " Rastelli ha detto. "Con l'approccio tecnologico utilizzato nella carta, questo non era possibile. We are now designing a piezoelectric actuator which may allow us to follow smoothly the emission changes as heavy- and light-hole states cross each other. Inoltre, we are in touch with colleagues planning to investigate the properties of light-hole spins."

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