Kalinio elektronai gyvena ilgiau

Pirmasis sužadintų elektronų gyvavimo ciklo taškų matavimas

Kvantinio taško su drėkinamuoju sluoksniu schema (InAs / GaAs) © Aleksandras Kleinsorge / GFDL
skaityti garsiai

Kai nanometrų diapazonas yra uždaras mažomis struktūromis - kvantiniais taškais -, elektronai pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios galėtų būti naudojamos naujiems kompiuteriams ar puslaidininkiniams lazeriams. Dėl šios priežasties jie vos neišleidžia energijos į savo aplinką ir daug ilgiau išlieka susijaudinę, rasta tyrinėtojų. Pirmųjų sužadintų elektronų gyvenimo laiko matavimų rezultatai dabar paskelbti žurnale „Gamtos medžiagos“.

Ar tai būtų optinių duomenų saugojimas kompaktiniuose diskuose ar DVD diskuose, ar optinio pluošto technologija internetui: Daugelis šių programų yra pagrįstos tuo, kad elektronai, kuriuos sužadindami paverčia į aukštesnę energetinę būseną, ten išlieka kuo ilgiau ir tik lėtai grįžta į pradinę būseną. Siekdami patobulintų puslaidininkių lazerių, taip pat ir ateities technologijų, tokių kaip kvantinės informacijos apdorojimas, tyrėjai siekia kuo ilgesnio sužadintų elektronų gyvenimo laiko.

Kvantiniai taškai kaip nano-piramidės

Vienas požiūris yra vadinamieji kvantiniai taškai. Šios konfigūracijos, kuri pirmą kartą buvo pagaminta maždaug prieš 20 metų, pagrindas yra puslaidininkių substratai, pagaminti, pavyzdžiui, iš galio arsenido. Ant jo augantys kvantiniai taškai atrodo kaip mažos piramidės ir paprastai susideda iš 1000–10 000 atomų. Šių nanopiramidžių mastas yra toks mažas, kad elektronai paklūsta kvantinėms mechaninėms taisyklėms ir nebegali laisvai judėti. Taigi kvantiniuose taškuose esantys elektronai gali įgyti tik tam tikrą energijos lygį. Elektronai taip pat susiduria su apribojimais visomis trimis kryptimis ir todėl elgiasi kaip savotiškas dirbtinis atomas.

„Phonon Bottleneck“ paslaptis

Paprastai elektronai grotelėse praranda energiją sąveikaudami su kristalinės gardelės virpesiais, vadinamaisiais fononais. Bet kadangi elektronai kvantinio taško trijų matmenų kalėjime yra labai riboti, tai šios energijos išlaisvinti neįmanoma. Elektronai sėdi „fonono kamštyje“. Dėl mažos energijos išsiskyrimo, remiantis teorija, šių elektronų sužadintos fazės trukmė turėtų pailgėti.

Dabar mokslininkai iš Šefildo universiteto Jungtinėje Karalystėje, „Ecole Normale Supérieure“ Paryžiuje ir Drezdeno-Rossendorfo tyrimų centro išbandė šią teoriją išbandydami kvantinius taškus plačiam parametrų diapazonui. displėjus

Perdavimo elektroninis mikroskopas (TEM) - kvantinio taško vaizdas ant galio arsenido substrato. Krištolo gardelė yra aiškiai matoma. Aukščiau esantis ryškus sluoksnis (lipnus) gaunamas paruošiant TEM mėginį. Šefildo universitetas

Prailginta gyvenimo trukmė

Tyrėjų komanda pagamino kvantinius taškus, kurių energijos lygis buvo žymiai mažesnis už pagrindinių kristalų gardelės virpesių energiją. Kad būtų galima ypač tiksliai išmatuoti sužadintų elektronų veikimo laiką, mokslininkai Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) naudojo specialų labai trumpo impulso terahercinį lazerį, vadinamąjį laisvųjų elektronų lazerį. Šis specialus lazeris sukuria ypač intensyvius šviesos impulsus ir apima platų infraraudonųjų ir terahercinių spindulių bangų diapazoną.

Tyrėjai pastebėjo tūkstančius kartų padidėjusį gyvenimo laiką, kai energijos atotrūkis buvo sumažintas tik perpus. Jis padidėjo nuo kelių pikosekundžių - viena milijonoji sekundės milijono) - nanosekundžių intervale ir padidėjo trimis didumo laipsniais.

Šis ilgas tarnavimo laikas gali reikšti daugybę naujų pritaikymų, ypač terahercų lazerių, pagrįstų kvantiniais taškais, srityje. Priežastis: energijos lygių atstumas yra nuo 10 iki 20 mililijonų elektronų voltų (meV), kurie taip pat gali būti išreikšti skirtingai nei kelių terahercų dažnis.

(Dresdeno-Rossendorfo tyrimų centras (FZD), 2009 8 18 - NPO)