(Phys.org) —Halvledarkvantprickar studeras brett för deras potentiella användning i framtida kvantteknologier. En av anledningarna till deras överklagande är att de kan begränsa kvantbitar som excitoner och snurr inuti dem. I en ny studie, forskare har skapat en kvantprick som innehåller en exciton i form av en elektron bunden till ett ljushål. Användningen av ett lätt (i motsats till tungt) hål kan göra det möjligt för kvantprickarna att ha specifika fördelar för kvantinformationsteknik.

Teamet av forskare, Y.H. Huo, et al., från institut i Tyskland, Nederländerna, och Österrike, har publicerat sin uppsats om ljushålsexcitoner instängda i kvantprickar i ett färskt nummer av Naturfysik .

Som forskarna förklarar, tunga hål och lätta hål beter sig olika eftersom de är placerade på olika valensenergiband i ett halvledande material. För att skapa dessa hål, forskarna exciterade elektronerna i dessa energiband med hjälp av ljus. När en exciterad elektron rör sig till ledningsbandet, det lämnar ett tomt tillstånd i ett av valensbanden. Denna saknade elektron beter sig som en partikel (ett hål) med positiv laddning och en massa som beror på vilket valensband den befinner sig i. Ett hål i det så kallade "ljushålsbandet" beter sig som en partikel med en massa som är flera gånger lägre än ett hål i "tunghåls"-bandet.

Än så länge, alla experimentella studier där hål är instängda i kvantprickar har använt tunga hål eftersom de är lättare att begränsa ur en energisk synvinkel. Dock, några teoretiska analyser har föreslagit att användning av lätta hål istället för tunga hål skulle vara fördelaktigt för kvantinformationsteknologier. Potentiella fördelar inkluderar möjligheten att uppnå snabbare kontroll och mer direkta mätningar av spinntillstånden.

För att experimentellt undersöka dessa potentiella fördelar, forskarna skapade för första gången kvantprickar med ljushåls marktillstånd. Istället för att helt omforma kvantpunktsgeometrin, de visade att strain engineering kunde användas för att skapa dessa prickar.

Töjningsmetoden går ut på att skapa initialt otränade kvantprickar i förspända membran, och sedan inducera dragpåkänning på prickarna genom att frigöra membranen från substratet. Dragpåkänningen förskjuter kvantprickarnas karaktär från dominant tungt hål till dominant lätt hål. När membranen placeras på ett piezoelektriskt substrat, dragpåkänningen kan ökas eller minskas ytterligare, gör det möjligt att justera emissionsenergin och hålkaraktären. Som forskarna visade både experimentellt och teoretiskt, kvantprickar som innehåller dominerande lätta håls marktillstånd har en klart distinkt signatur jämfört med de med dominant tunga håls marktillstånd.

Använda strain engineering, forskarna visade att markhålstillståndet i kvantpunkten kan ha mer än 95 % ljushålskaraktär för dragpåkänningar på 0,4 %. Kvantprickarna har också en hög optisk kvalitet som är jämförbar med den hos toppmoderna kvantprickar. I kombination med att membranen är kompatibla med elektrisk styrning, dessa funktioner visar att kvantprickar med begränsade ljushål snart kan utforskas som nya byggstenar för kvantteknologier.

"Ljushålsexcitoner kan möjliggöra direkt omvandling av polariseringen av en foton (flygande qubit) till spinntillståndet för en elektron instängd i en kvantpunkt (stationär qubit), " medförfattare Armando Rastelli, Professor i halvledarfysik vid Johannes Kepler University Linz i Linz, Österrike, berättade Phys.org . Rastelli är också anslutet till IFW Dresden i Tyskland. "Dessutom, lätta hålssnurr (en annan form av stationär qubit) kan manipuleras direkt via mikrovågor och med högre hastigheter jämfört med tunga hålssnurr. Dedikerade experiment kommer att behövas för att bedöma vilka av dessa potentialer som kan realiseras i praktiken."

I framtiden, forskarna planerar att undersöka hur tunga hål blir lätta hål, samt andra öppna frågor.

"Närnäst planerar vi att titta i detalj på övergången från ett tungt hål till ett lätt hål marktillstånd, ", sa Rastelli. "Med det tekniska tillvägagångssätt som används i tidningen, detta var inte möjligt. Vi designar nu ett piezoelektriskt ställdon som kan tillåta oss att smidigt följa emissionsförändringarna när tunga och lätta håls tillstånd korsar varandra. Dessutom, vi är i kontakt med kollegor som planerar att undersöka egenskaperna hos lätthålssnurr."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.