Un equipo encabezado por el Dr. Takashi Kuroda, Investigador senior, y el Dr. Marco Abbarchi, Investigador, del Centro de Investigación Quantum Dot, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, en investigación conjunta con la Universidad de Hokkaido, logró controlar el estado cuántico de pocas partículas de un punto cuántico semiconductor, y cambiando sus energías de correlación. Este logro de la investigación permitirá desarrollar dispositivos semiconductores no lineales que permitan un accionamiento estable con bajo consumo de energía.

Cuando un electrón y un protón se acercan en el vacío, las dos partículas se atraen mutuamente por la fuerza de Coulomb y forman un átomo de hidrógeno. Si se coloca además otro electrón o protón, el efecto de muchos cuerpos dará como resultado la formación de una molécula de hidrógeno iónico que comprende un total de tres partículas.

Este tipo de estado cuántico también existe en los sólidos. Un par de un electrón y un agujero en un semiconductor forman un excitón, análogo a un átomo de hidrógeno. Si se agrega otro electrón o hueco, un estado complejo de tres partículas, llamado excitón cargado, se forma. En un semiconductor, a diferencia del hidrógeno en el vacío, es posible confinar electrones y huecos en puntos cuánticos, es decir., un espacio extremadamente pequeño del orden de varios nanómetros, y se puede esperar un aumento en la energía de estabilización del estado multi-electrónico.

En esta investigación, puntos cuánticos de arseniuro de galio (GaAs) incrustados en arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), fabricados por el método de epitaxia de gotas. Este método fue desarrollado originalmente por NIMS. Como rasgo distintivo de los puntos cuánticos, la longitud de la celosía de cristal se adapta perfectamente entre los materiales del huésped y del anfitrión.

Como resultado, se realizó una estructura cuántica limpia sin precedentes. Logramos la observación de excitones cargados midiendo las señales de emisión de fotones de puntos cuánticos individuales. En particular, cuando se comparó la energía de estabilización de los excitones cargados con la de una estructura de pozo cuántico del mismo tipo de material, que anteriormente se sabía que era de ~ 1 meV, se encontró que tenía un valor más de 10 veces mayor. Este aumento en la energía de muchos cuerpos se debe a un aumento notable en la fuerza de Coulomb entre en el sistema de muchas partículas resultante del empaquetado de electrones en un nanoespacio tridimensional. Este resultado aclara por primera vez el efecto del confinamiento de un estado de múltiples electrones en un nanoespacio, que no se había conocido en el pasado, y, por tanto, es un resultado de enorme impacto científico.

Desde el punto de vista de la tecnología aplicada, porque la correlación de electrones también es la fuente de diversos tipos de dispositivos de efectos no lineales, como dispositivos de conmutación óptica y láseres, si la intensidad de la interacción se puede controlar mediante nanoestructuras, Se puede esperar que esto conduzca al desarrollo de dispositivos semiconductores ópticos que permitan una unidad estable con un bajo consumo de energía.