(Phys.org) —Los puntos cuánticos son nanoestructuras de materiales semiconductores que se comportan mucho como átomos individuales y son muy fáciles de producir. Dadas sus propiedades especiales, Los investigadores ven un enorme potencial para los puntos cuánticos en las aplicaciones tecnológicas. Antes de que esto pueda suceder, sin embargo, necesitamos una mejor comprensión de cómo se comportan los electrones "atrapados" en su interior. Los físicos de Dresde han observado recientemente cómo los electrones en puntos cuánticos individuales absorben energía y la emiten nuevamente como luz. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista Nano letras .

Los puntos cuánticos parecen pirámides minúsculas. Dentro de cada una de estas nanopirámides siempre hay solo uno o dos electrones que esencialmente "sienten" las paredes que las rodean y, por lo tanto, están fuertemente restringidas en su movilidad. Científicos de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden y el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde (IFW) ahora han estudiado los estados de energía especiales de los electrones atrapados dentro de puntos cuánticos individuales.

Niveles agudos de energía

El comportamiento de los electrones en un material determina esencialmente sus propiedades. Estar restringido espacialmente en las tres dimensiones espaciales, los electrones dentro de una nanopirámide solo pueden ocupar niveles de energía muy específicos, razón por la cual los puntos cuánticos también se denominan "átomos artificiales". El lugar donde se encuentran estos niveles de energía depende de la composición química del material semiconductor, así como del tamaño de la nanopirámide. "Estos niveles de energía claramente definidos se explotan, por ejemplo, en láseres de alta eficiencia energética basados ​​en puntos cuánticos. La luz se produce cuando un electrón cae de un nivel de energía más alto a uno más bajo. La diferencia de energía entre los dos niveles determina el color de la luz, "Explica el Dr. Stephan Winnerl de HZDR.

Ver electrones dentro de puntos cuánticos individuales

Los investigadores de Dresde que trabajaron con el Dr. Winnerl fueron recientemente los primeros en tener éxito en escanear las transiciones entre los niveles de energía en puntos cuánticos individuales utilizando luz infrarroja. A pesar de que, solo pudieron hacer esto después de superar un cierto obstáculo:mientras que las pirámides de arseniuro de indio o arseniuro de galio indio se forman espontáneamente durante un modo específico de crecimiento de cristales, su tamaño varía dentro de un cierto rango. Estudiándolos con luz infrarroja, por ejemplo, se obtienen señales borrosas porque los electrones en pirámides de diferentes tamaños responden a diferentes energías infrarrojas. Por eso es tan importante obtener una vista detallada de los electrones atrapados dentro de un solo punto cuántico.

Los científicos abordaron esta tarea con el método especial de escaneo de microscopía de campo cercano. La luz láser se proyecta sobre una punta metálica de menos de 100 nanómetros de espesor, que colima fuertemente la luz a cien veces más pequeña que la longitud de onda de la luz, que es el límite de resolución espacial para la óptica "convencional" que utiliza lentes y espejos. Al enfocar esta luz colimada precisamente en una pirámide, la energía se dona a los electrones, excitándolos así a un nivel de energía superior. Esta transferencia de energía se puede medir observando la luz infrarroja dispersada desde la punta en este proceso. Si bien la microscopía de campo cercano implica importantes pérdidas de señal, el haz de luz todavía es lo suficientemente fuerte como para excitar los electrones dentro de una nano-pirámide. El método también es tan sensible que puede crear una imagen a nanoescala en la que uno o dos electrones dentro de un punto cuántico se destacan en un claro contraste. De esta manera Stephan Winnerl y sus colegas de HZDR, además de físicos de TU e IFW Dresden, estudió el comportamiento de los electrones dentro de un punto cuántico con gran detalle, contribuyendo así a nuestra comprensión de ellos.

Luz infrarroja del láser de electrones libres

La luz infrarroja utilizada en los experimentos provino del láser de electrones libres en HZDR. Este láser especial es una fuente de radiación infrarroja ideal para tales experimentos porque la energía de su luz se puede ajustar para que coincida con precisión con el nivel de energía dentro de los puntos cuánticos. El láser también emite una radiación tan intensa que compensa con creces las pérdidas inevitables inherentes al método.

"Próximo, pretendemos revelar el comportamiento de los electrones dentro de puntos cuánticos a temperaturas más bajas, "Dice el Dr. Winnerl." A partir de estos experimentos, esperamos obtener conocimientos aún más precisos sobre el comportamiento confinado de estos electrones. En particular, queremos obtener una mejor comprensión de cómo los electrones interactúan entre sí, así como con las vibraciones de la red cristalina ". Gracias a sus intensos destellos láser en una amplia, rango espectral libremente seleccionable, el láser de electrones libres ofrece las condiciones ideales para el método de microscopía de campo cercano en Dresde, que se beneficia particularmente de la estrecha colaboración con el Prof. Lukas Eng de TU Dresden en el ámbito del concepto DRESDEN.