Научной группе во главе с доктором Такаши Курода (Takashi Kuroda) и доктором Марко Аббарчи (Marco Abbarchi) из Научно-исследовательского центра по изучению квантовых точек Национального института материаловедения (NIMS) в совместном исследовании с учеными Университета Хоккайдо удалось управлять квантовым состоянием нескольких частиц полупроводниковой квантовой точки, а также изменить ее корреляционную энергию.

Этот эксперимент позволит создать нелинейные полупроводниковые устройства, обеспечивающие стабильную работу при низком энергопотреблении. Данные исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

Когда электрон и протон находятся близко друг к другу в вакууме, с помощью кулоновской силы они взаимно притягиваются и формируют атом водорода. Если поместить еще один электрон или протон, многочастичный эффект приведет к формированию ионной молекулы водорода, включающей три частицы.

Этот вид квантового состояния существует и в твердом состоянии. Пара электрон-дырка в полупроводнике формируют экситон, напоминающий атом водорода. Если добавить другой электрон или дырку, образуется сложная структура из трех частиц, называемая заряженный экситон. В полупроводнике, в отличие от водорода в вакууме, можно ограничить электроны-дырки в квантовых точках, то есть можно ожидать чрезвычайно малое пространство порядка несколько нанометров и увеличение стабилизационной энергии мультиэлектронного состояния.

В этом исследовании были использованы квантовые точки арсенида галлия (GaAs) в арсениде галлия алюминия (AlGaAs), изготовленные капельным эпитаксиальным методом, который был разработан в Национальном институте материаловедения Японии (NIMS). Отличительной чертой квантовых точек является то, что длина кристаллической решетки идеально подходит для промежуточного положения между гостевым и основным материалом (хозяином).

Рис. 1. Изображение квантовых точек арсенида галлия, полученное с помощью атомно-силового микроскопа.

В результате была создана беспрецедентно чистая квантовая структура. Ученые пронаблюдали заряженный экситон путем измерения сигналов фотонного излучения от одиночных квантовых точек. В частности, когда стабилизационная энергия заряженных экситонов сочеталась с энергией структуры с квантовыми ямами такого же материала, изначальный уровень напряжения в 1 мегавольт увеличивался более чем в 10 раз.

Это повышение многочастичной энергии было обусловлено значительным увеличением кулоновской силы в системе многих частиц, возникающей в результате упаковки электронов в трехмерном нанопространстве. Этот результат впервые объясняет эффект ограничения мультиэлектронного состояния в нанопространстве, который не был известен ранее.

С прикладной точки зрения, благодаря электронной корреляции эта технология является источником различных типов нелинейных устройств, таких как оптические переключатели и лазеры. Если с помощью наноструктур можно будет управлять интенсивностью взаимодействия, можно ожидать, что такая технология позволит создать оптические полупроводниковые устройства, которые обеспечат стабильную работу при малом энергопотреблении.