Neue Erkenntnisse über Energieniveaus in Quantenpunkten

Theoretisch vorhergesagten Effekt in Quantenpunkten experimentell nachgewiesen

Forscher aus Basel, Bochum und Kopenhagen haben – so eine RUB-Medienmitteilung – neue Einblicke in die Energiezustände von Quantenpunkten gewonnen.  Diese Halbleiter-Nanostrukturen sind vielversprechende Kandidaten für die grundlegenden Informationseinheiten für eine Quantenkommunikation. Die Wissenschaftler haben experimentell den theoretisch vorhergesagten Auger-Effekt in Quantenpunkten nachgewiesen. Die Erkenntnisse helfen beim Verständnis der Strukturen, die die Basis der Quantenkommunikation bilden könnten.

Die Forscher bestätigten mit ihren Experimenten gewisse Energieübergänge in Quantenpunkten, die zuvor nur theoretisch vorhergesagt waren: den sogenannten strahlenden Auger-Prozess. Für die Untersuchungen verwendeten die Forscher in Basel und Kopenhagen spezielle Proben, die das Team vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum hergestellt hatte. Sie berichteten über die Ergebnisse am 15.06.2020 in Nature Nanotechnology.

Der Auger-Effekt, benannt nach Pierre Victor Auger, ist ein sogenannter strahlungsloser Übergang in der Elektronenhülle eines angeregten Atoms (Exziton). Voraussetzung ist ein unbesetzter Elektronenzustand in einer inneren Elektronenschale innerhalb eines Atoms (Loch). Wird dieser durch ein Elektron aus einer äußeren Schale wieder besetzt, kann die freiwerdende Energie auf ein anderes desselben Atoms übertragen werden, und dieses verlässt als Auger-Elektron das Atom. Das hochenergetische Elektron gibt vorher all seine Energie an die anderen Elektronen im Atom ab. Dieser Effekt wurde 1922 von Lise Meitner und vier Jahre später von Auger entdeckt. Etwa ein Jahrzehnt später beschrieb der Physiker Felix Bloch den sogenannten strahlenden Auger-Prozess. Dabei teilt das angeregte Elektron seine Energie auf ein anderes Elektron im Atom und ein Photon auf. Da Meitner und Auger den Effekt unabhängig voneinander identifiziert hatten, wird der Effekt in einigen neueren Publikationen auch als Auger-Meitner-Effekt bezeichnet. (Nach: de.wikipedia.org)

Ladungsträger einsperren

Schematische Darstellung eines geladenen Exzitons aus zwei Elektronen und einem Loch in einem Quantenpunkt – Grafik © RUB, Arne Ludwig

Um einen Quantenpunkt herzustellen, nutzen die Bochumer Forscher selbstorganisierende Vorgänge beim Kristallwachstum. Dabei erzeugen sie Milliarden von nanometergroßen Kristallen beispielsweise aus Indiumarsenid. In diesen können sie Ladungsträger, etwa ein einzelnes Elektron, einsperren. Interessant für die Quantenkommunikation ist dieses Konstrukt, weil sich mithilfe des Ladungsträger-Spins Informationen codieren lassen. Für diese Codierung ist es nötig, den Spin von außen manipulieren und auslesen zu können. Beim Auslesen kann eine Quanteninformation zum Beispiel in die Polarisation eines Photons eingeprägt werden. Dieses trägt die Information dann mit Lichtgeschwindigkeit weiter und kann zur Quanteninformationsübertragung genutzt werden. Daher interessieren sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise dafür, was genau im Quantenpunkt passiert, wenn Energie von außen auf das künstliche Atom eingestrahlt wird.

Besondere Energieübergänge nachgewiesen

Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, der von einem oder mehreren negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Wenn ein Elektron im Atom angeregt ist, also eine erhöhte Energie besitzt, kann es diese Energie auf zwei Weisen reduzieren: Es kann die Energie in Form eines einzelnen Lichtteilchens (Photon) abgeben, ohne die anderen Elektronen zu beeinflussen.

Ein Elektron in einem Quantenpunkt wird durch ein Photon (grüne Welle) angeregt, ein geladenes Exziton, also einen angeregten Zustand, zu bilden – bestehend aus zwei Elektronen und einem Loch. Durch Abgabe eines Photons (grüne Welle) wird der Ausgangszustand wieder hergestellt (grüner Pfad). Selten findet ein strahlender Auger-Prozess statt (roter Pfeil). Ein Elektron verbleibt in einem angeregten Zustand, und ein Photon mit entsprechend niedrigerer Energie (rote Welle) wird emittiert – Grafik © RUB, Arne Ludwig

Ein Halbleiter-Quantenpunkt ähnelt einem Atom in vielerlei Hinsicht. Allerdings war der strahlende Auger-Prozess bislang nur theoretisch für Quantenpunkte vorhergesagt worden. Den experimentellen Nachweis erbrachten nun Forscher aus Basel. Die Physiker Matthias Löbl und Prof. Richard Warburton, zusammen mit Kollegen aus Bochum und Kopenhagen, wiesen den strahlenden Auger-Prozess im kleinstmöglichen System von einem Elektron und einem Photon nach. Damit zeigten sie erstmals eine Verbindung zwischen diesem Prozess und der Quantenoptik. Sie belegten, dass quantenoptische Messungen mit dem strahlenden Auger-Prozess nützlich sein können, um die Dynamik einzelner Elektronen zu untersuchen.

Anwendungen für Quantenpunkte

Mithilfe des strahlenden Auger-Effekts können die Wissenschaftler die Struktur der quantenmechanischen Energieniveaus, die einem einzelnen Elektron im Quantenpunkt zur Verfügung stehen, außerdem präzise bestimmen. Bisher war das nur indirekt über Berechnungen in Kombination mit optischen Methoden möglich. Nun ist ein direkter Nachweis gelungen. Das hilft, das quantenmechanische System besser zu verstehen.

Um ideale Quantenpunkte für verschiedene Anwendungen zu finden, müssen Fragen untersucht werden wie: Wie viel Zeit verharrt ein Elektron in dem energetisch angeregten Zustand? Welche Energieniveaus bildet ein Quantenpunkt? Und wie kann das mittels Herstellungsverfahren beeinflusst werden?

Verschiedene Quantenpunkte in stabilen Umgebungen

Den Effekt beobachtete die Gruppe nicht nur in Quantenpunkten in Indiumarsenid-Halbleitern. Dem Bochumer Team Julian Ritzmann, Arne Ludwig und Prof. Andreas Wieck gelang es auch, einen Quantenpunkt aus dem Halbleiter Galliumarsenid herzustellen. Bei beiden Materialien konnten die Wissenschaftler Quantenpunkte mit sehr stabilen Umgebungen erzeugen, was entscheidend war, um den strahlenden Auger-Prozess nachzuweisen. Bereits seit vielen Jahren arbeitet die Gruppe an der Ruhr-Universität Bochum an den optimalen Bedingungen für stabile Quantenpunkte.

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