Forskare från Basel, Bochum, och Köpenhamn har fått nya insikter om kvantprickarnas energitillstånd. De är halvledarnanostrukturer och lovande byggstenar för kvantkommunikation. Med sina experiment, forskarna bekräftade vissa energiövergångar i kvantprickar som tidigare bara hade förutspåtts teoretiskt:den så kallade radiativa Auger-processen. För sina undersökningar, forskarna i Basel och Köpenhamn använde speciella prover som teamet från ordföranden för tillämpad fasta tillståndsfysik vid Ruhr-Universität Bochum hade tagit fram. Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Naturens nanoteknik , publicerades online den 15 juni 2020.

Lås upp laddningsbärare

För att skapa en kvantprick, Bochum-forskarna använder självorganiserande processer i kristalltillväxt. I processen, de producerar miljarder nanometerstora kristaller av, till exempel, indiumarsenid. I dessa kan de fånga laddningsbärare, såsom en enda elektron. Denna konstruktion är intressant för kvantkommunikation eftersom information kan kodas med hjälp av laddningsbärarsnurr. För denna kodning, det är nödvändigt att kunna manipulera och läsa snurran från utsidan. Under avläsning, kvantinformation kan tryckas in i polariseringen av en foton, till exempel. Detta för sedan informationen vidare med ljusets hastighet och kan användas för kvantinformationsöverföring.

Det är därför forskare är intresserade, till exempel, i vad som exakt händer i kvantpunkten när energi bestrålas utifrån på den konstgjorda atomen.

Speciella energiövergångar demonstrerade

Atomer består av en positivt laddad kärna som är omgiven av en eller flera negativt laddade elektroner. När en elektron i atomen har hög energi, den kan minska sin energi genom två välkända processer:i den första processen frigörs energin i form av ett enda ljuskvantum (en foton) och de andra elektronerna är opåverkade. En andra möjlighet är en Auger-process, där högenergielektronen ger all sin energi till andra elektroner i atomen. Denna effekt upptäcktes 1922 av Lise Meitner och Pierre Victor Auger.

Ungefär ett decennium senare, en tredje möjlighet har teoretiskt beskrivits av fysikern Felix Bloch:i den så kallade radiativa Auger-processen, den exciterade elektronen minskar sin energi genom att överföra den till båda, ett ljuskvantum och ytterligare en elektron i atomen. En halvledarkvantprick liknar en atom i många aspekter. Dock, för kvantprickar, den strålande Auger-processen hade bara förutspåtts teoretiskt hittills. Nu, den experimentella observationen har gjorts av forskare från Basel. Tillsammans med sina kollegor från Bochum och Köpenhamn, de Baselbaserade forskarna Dr. Matthias Löbl och professor Richard Warburton har observerat den strålande Auger-processen inom gränsen för bara en enskild foton och en Auger-elektron. För första gången, forskarna visade sambandet mellan den strålande Auger-processen och kvantoptik. De visar att kvantoptikmätningar med den strålande Auger-emissionen kan användas som ett verktyg för att undersöka dynamiken hos den enstaka elektronen.

Tillämpningar av kvantprickar

Genom att använda den strålande Auger-effekten, forskare kan också exakt bestämma strukturen för de kvantmekaniska energinivåerna som är tillgängliga för en enskild elektron i kvantpunkten. Tills nu, detta var endast möjligt indirekt via beräkningar i kombination med optiska metoder. Nu har ett direkt bevis uppnåtts. Detta hjälper till att bättre förstå det kvantmekaniska systemet.

För att hitta idealiska kvantprickar för olika applikationer, frågor som följande måste besvaras:hur mycket tid förblir en elektron i det energimässigt exciterade tillståndet? Vilka energinivåer bildar en kvantprick? Och hur kan detta påverkas med hjälp av tillverkningsprocesser?

Olika kvantprickar i stabila miljöer

Gruppen observerade effekten inte bara i kvantprickar i indiumarsenid-halvledare. Bochum-teamet av Dr. Julian Ritzmann, Dr Arne Ludwig och professor Andreas Wieck lyckades också framställa en kvantprick från halvledaren galliumarsenid. I båda materialsystemen, teamet från Bochum har uppnått mycket stabila omgivningar av kvantpunkten, som har varit avgörande för den strålande Auger-processen. Sedan många år tillbaka, gruppen vid Ruhr-Universität Bochum har arbetat med de optimala förutsättningarna för stabila kvantprickar.