Un elettrone all'interno di un punto quantico viene sollevato da un fotone (forma d'onda verde) a un livello di energia superiore. Il risultato è un cosiddetto eccitone, uno stato eccitato costituito da due elettroni e una lacuna. Emettendo un fotone (forma d'onda verde), il sistema ritorna allo stato fondamentale (percorso verde). In rari casi, avviene un processo Auger radiativo (freccia rossa):un elettrone rimane nello stato eccitato, mentre viene emesso un fotone di energia inferiore (forma d'onda rossa). Credito:RUB, Arne Ludwig
Ricercatori di Basilea, Bochum, e Copenhagen hanno acquisito nuove conoscenze sugli stati energetici dei punti quantici. Sono nanostrutture di semiconduttori e promettenti elementi costitutivi per la comunicazione quantistica. Con i loro esperimenti, gli scienziati hanno confermato alcune transizioni energetiche nei punti quantici che in precedenza erano state previste solo in teoria:il cosiddetto processo Auger radiativo. Per le loro indagini, i ricercatori di Basilea e Copenaghen hanno utilizzato campioni speciali prodotti dal team della cattedra di fisica applicata dello stato solido della Ruhr-Universität Bochum. I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Nanotecnologia della natura , pubblicato online il 15 giugno 2020.
Blocca i vettori di addebito
Per creare un punto quantico, i ricercatori di Bochum utilizzano processi di auto-organizzazione nella crescita dei cristalli. Nel processo, producono miliardi di cristalli di dimensioni nanometriche di, Per esempio, arseniuro di indio. In questi possono intrappolare i portatori di carica, come un singolo elettrone. Questo costrutto è interessante per la comunicazione quantistica perché le informazioni possono essere codificate con l'aiuto degli spin dei portatori di carica. Per questa codifica, è necessario essere in grado di manipolare e leggere la rotazione dall'esterno. Durante la lettura, l'informazione quantistica può essere impressa nella polarizzazione di un fotone, Per esempio. Questo porta quindi le informazioni ulteriormente alla velocità della luce e può essere utilizzato per il trasferimento di informazioni quantistiche.
Questo è il motivo per cui gli scienziati sono interessati, Per esempio, in ciò che accade esattamente nel punto quantico quando l'energia viene irradiata dall'esterno sull'atomo artificiale.
Dimostrate transizioni energetiche speciali
Gli atomi sono costituiti da un nucleo con carica positiva circondato da uno o più elettroni con carica negativa. Quando un elettrone nell'atomo ha un'energia elevata, può ridurre la sua energia mediante due processi ben noti:nel primo processo l'energia viene rilasciata sotto forma di un singolo quanto di luce (un fotone) e gli altri elettroni non vengono influenzati. Una seconda possibilità è un processo Auger, dove l'elettrone ad alta energia cede tutta la sua energia ad altri elettroni nell'atomo. Questo effetto fu scoperto nel 1922 da Lise Meitner e Pierre Victor Auger.
Rappresentazione schematica di un eccitone carico, cioè uno stato eccitato costituito da due elettroni e una lacuna all'interno di un punto quantico. Credito:Arne Ludwig
Circa un decennio dopo, una terza possibilità è stata teoricamente descritta dal fisico Felix Bloch:nel cosiddetto processo Auger radiativo, l'elettrone eccitato riduce la sua energia trasferendola ad entrambi, un quanto di luce e un altro elettrone nell'atomo. Un punto quantico a semiconduttore assomiglia a un atomo in molti aspetti. Però, per punti quantici, il processo Auger radiativo era stato previsto solo teoricamente finora. Ora, l'osservazione sperimentale è stata realizzata da ricercatori di Basilea. Insieme ai loro colleghi di Bochum e Copenhagen, i ricercatori di Basilea Dr. Matthias Löbl e il professor Richard Warburton hanno osservato il processo Auger radiativo nel limite di un solo fotone e un elettrone Auger. Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato la connessione tra il processo Auger radiativo e l'ottica quantistica. Mostrano che le misurazioni dell'ottica quantistica con l'emissione radiativa Auger possono essere utilizzate come strumento per studiare la dinamica del singolo elettrone.
Applicazioni dei punti quantici
Utilizzando l'effetto radiativo Auger, gli scienziati possono anche determinare con precisione la struttura dei livelli di energia meccanica quantistica disponibili per un singolo elettrone nel punto quantico. Fino ad ora, questo è stato possibile solo indirettamente tramite calcoli in combinazione con metodi ottici. Ora è stata ottenuta una prova diretta. Questo aiuta a comprendere meglio il sistema meccanico quantistico.
Per trovare punti quantici ideali per diverse applicazioni, si deve rispondere a domande come le seguenti:quanto tempo rimane un elettrone nello stato energeticamente eccitato? Quali livelli di energia formano un punto quantico? E come può essere influenzato attraverso i processi di produzione?
Diversi punti quantici in ambienti stabili
Il gruppo ha osservato l'effetto non solo nei punti quantici nei semiconduttori di arseniuro di indio. Il team di Bochum del Dr. Julian Ritzmann, Il dottor Arne Ludwig e il professor Andreas Wieck sono anche riusciti a produrre un punto quantico dal semiconduttore di arseniuro di gallio. In entrambi i sistemi materiali, il team di Bochum ha ottenuto un ambiente molto stabile del punto quantico, che è stato decisivo per il processo Auger radiativo. Da molti anni ormai, il gruppo della Ruhr-Universität Bochum ha lavorato sulle condizioni ottimali per punti quantici stabili.
