Ett team under ledning av Dr Takashi Kuroda, Seniorforskare, och Dr Marco Abbarchi, Forskare, från Quantum Dot Research Center, National Institute for Materials Science, i gemensam forskning med Hokkaido University, lyckades kontrollera kvanttillståndet med få partiklar i en halvledarkvantpunkt, och ändra dess korrelationsenergier. Denna forskningsprestation kommer att göra det möjligt att utveckla icke-linjära halvledarenheter som möjliggör stabil körning med låg strömförbrukning.

När en elektron och proton förs in i närheten i vakuum, de två partiklarna attraheras av Coulomb-kraften och bildar en väteatom. Om ytterligare en elektron eller proton placeras utöver effekten av många kroppar kommer att resultera i bildning av en jonisk vätemolekyl som består av totalt tre partiklar.

Denna typ av kvanttillstånd finns också i fasta ämnen. Ett par av en elektron och ett hål i en halvledare bildar en exciton, analog med en väteatom. Om en annan elektron eller ett hål läggs till, ett komplext tillstånd av tre partiklar, kallas en laddad exciton, är formad. I en halvledare, till skillnad från väte i vakuum, det är möjligt att begränsa elektroner till ett hål i kvantpunkter, dvs. ett extremt litet utrymme i storleksordningen flera nanometer, och en ökning av stabiliseringsenergin för det multielektroniska tillståndet kan förväntas.

I denna forskning, galliumarsenid (GaAs) kvantprickar inbäddade i aluminium galliumarsenid (AlGaAs), tillverkade med droppepitaxmetoden användes. Denna metod utvecklades ursprungligen av NIMS. Som ett utmärkande drag för kvantprickarna, längden på kristallgittret är perfekt anpassad mellan gäst- och värdmaterial.

Som ett resultat, en enastående ren kvantstruktur uppnåddes. Vi lyckades observera laddade excitoner genom att mäta fotonemissionssignalerna från enstaka kvantpunkter. Särskilt, när stabiliseringsenergin för laddade excitoner jämfördes med den för en kvantbrunnsstruktur av samma typ av material, som tidigare var känt för att vara ~1 meV, det visade sig ha ett värde mer än 10 gånger större. Denna ökning av mångkroppsenergi beror på en anmärkningsvärd ökning av Coulombkraften mellan i mångapartikelsystemet till följd av packningselektroner i ett tredimensionellt nanorum. Detta resultat belyser för första gången effekten av inneslutning av ett multi-elektrontillstånd i ett nanorum, som inte varit känt tidigare, och därmed ett resultat med extremt stor vetenskaplig genomslagskraft.

Ur tillämpad teknik, eftersom elektronkorrelation också är källan till olika typer av icke-linjära effektenheter såsom optiska omkopplingsenheter och lasrar, om interaktionsintensiteten kan styras med nanostrukturer, detta kan förväntas leda till utvecklingen av optiska halvledarenheter som möjliggör stabil körning med låg strömförbrukning.