Un electrón dentro de un punto cuántico es elevado por un fotón (forma de onda verde) a un nivel de energía más alto. El resultado es un llamado excitón, un estado excitado que consta de dos electrones y un agujero. Al emitir un fotón (forma de onda verde), el sistema vuelve al estado fundamental (ruta verde). En casos raros, tiene lugar un proceso de Auger radiativo (flecha roja):un electrón permanece en el estado excitado, mientras se emite un fotón de menor energía (forma de onda roja). Crédito:RUB, Arne Ludwig
Investigadores de Basilea, Bochum, y Copenhague han adquirido nuevos conocimientos sobre los estados energéticos de los puntos cuánticos. Son nanoestructuras semiconductoras y pilares prometedores para la comunicación cuántica. Con sus experimentos, los científicos confirmaron ciertas transiciones de energía en puntos cuánticos que antes solo se habían predicho teóricamente:el llamado proceso radiativo Auger. Por sus investigaciones, los investigadores de Basilea y Copenhague utilizaron muestras especiales que había producido el equipo de la Cátedra de Física Aplicada del Estado Sólido de la Ruhr-Universität Bochum. Los investigadores informan sus resultados en la revista. Nanotecnología de la naturaleza , publicado en línea el 15 de junio de 2020.
Bloquear los portadores de carga
Para crear un punto cuántico, los investigadores de Bochum utilizan procesos de autoorganización en el crecimiento de cristales. En el proceso, producen miles de millones de cristales de tamaño nanométrico de por ejemplo, arseniuro de indio. En estos pueden atrapar a los portadores de carga, como un solo electrón. Esta construcción es interesante para la comunicación cuántica porque la información se puede codificar con la ayuda de espines de portadores de carga. Para esta codificación, es necesario poder manipular y leer el giro desde el exterior. Durante la lectura, la información cuántica se puede imprimir en la polarización de un fotón, por ejemplo. Esto luego lleva la información más lejos a la velocidad de la luz y puede usarse para la transferencia de información cuántica.
Por eso los científicos están interesados, por ejemplo, en lo que sucede exactamente en el punto cuántico cuando se irradia energía desde el exterior hacia el átomo artificial.
Transiciones de energía especiales demostradas
Los átomos consisten en un núcleo cargado positivamente que está rodeado por uno o más electrones cargados negativamente. Cuando un electrón en el átomo tiene alta energía, puede reducir su energía mediante dos procesos bien conocidos:en el primer proceso, la energía se libera en forma de un único cuanto de luz (un fotón) y los otros electrones no se ven afectados. Una segunda posibilidad es un proceso Auger, donde el electrón de alta energía da toda su energía a otros electrones en el átomo. Este efecto fue descubierto en 1922 por Lise Meitner y Pierre Victor Auger.
Representación esquemática de un excitón cargado, es decir, un estado excitado que consta de dos electrones y un agujero dentro de un punto cuántico. Crédito:Arne Ludwig
Aproximadamente una década después, una tercera posibilidad ha sido teóricamente descrita por el físico Felix Bloch:en el llamado proceso radiativo Auger, el electrón excitado reduce su energía transfiriéndola a ambos, un cuanto de luz y otro electrón en el átomo. Un punto cuántico semiconductor se parece a un átomo en muchos aspectos. Sin embargo, para puntos cuánticos, el proceso radiativo de Auger solo se había predicho teóricamente hasta ahora. Ahora, la observación experimental ha sido realizada por investigadores de Basilea. Junto con sus colegas de Bochum y Copenhague, los investigadores de Basilea, el Dr. Matthias Löbl y el profesor Richard Warburton, han observado el proceso radiativo Auger en el límite de un solo fotón y un electrón Auger. Por primera vez, los investigadores demostraron la conexión entre el proceso radiativo Auger y la óptica cuántica. Muestran que las mediciones de óptica cuántica con la emisión de Auger radiativa se pueden utilizar como una herramienta para investigar la dinámica de un solo electrón.
Aplicaciones de los puntos cuánticos
Usando el efecto Radiante Auger, Los científicos también pueden determinar con precisión la estructura de los niveles de energía de la mecánica cuántica disponibles para un solo electrón en el punto cuántico. Hasta ahora, esto solo fue posible indirectamente a través de cálculos en combinación con métodos ópticos. Ahora se ha conseguido una prueba directa. Esto ayuda a comprender mejor el sistema mecánico cuántico.
Para encontrar puntos cuánticos ideales para diferentes aplicaciones, hay que responder a preguntas como las siguientes:¿cuánto tiempo permanece un electrón en el estado de excitación energética? ¿Qué niveles de energía forman un punto cuántico? ¿Y cómo se puede influir en esto mediante los procesos de fabricación?
Diferentes puntos cuánticos en entornos estables.
El grupo observó el efecto no solo en los puntos cuánticos en los semiconductores de arseniuro de indio. El equipo de Bochum del Dr. Julian Ritzmann, El Dr. Arne Ludwig y el profesor Andreas Wieck también lograron producir un punto cuántico a partir del semiconductor arseniuro de galio. En ambos sistemas de materiales, el equipo de Bochum ha logrado un entorno muy estable del punto cuántico, que ha sido determinante para el proceso radiativo Auger. Desde hace muchos años, el grupo de Ruhr-Universität Bochum ha estado trabajando en las condiciones óptimas para puntos cuánticos estables.
