Une équipe dirigée par le Dr Takashi Kuroda, Chercheur principal, et le Dr Marco Abbarchi, Chercheur, du Quantum Dot Research Center, Institut national des sciences des matériaux, en recherche conjointe avec l'Université d'Hokkaido, réussi à contrôler l'état quantique à quelques particules d'une boîte quantique semi-conductrice, et changer ses énergies de corrélation. Cette réalisation de recherche permettra de développer des dispositifs non linéaires à semi-conducteurs qui permettent un entraînement stable avec une faible consommation d'énergie.

Lorsqu'un électron et un proton sont rapprochés dans le vide, les deux particules sont attirées mutuellement par la force de Coulomb et forment un atome d'hydrogène. Si un autre électron ou proton est placé en plus, l'effet à plusieurs corps entraînera la formation d'une molécule d'hydrogène ionique comprenant un total de trois particules.

Ce type d'état quantique existe également dans les solides. Une paire d'électrons et de trous dans un semi-conducteur forme un exciton, analogue à un atome d'hydrogène. Si un autre électron ou trou est ajouté, un état complexe de trois particules, appelé exciton chargé, est formé. Dans un semi-conducteur, contrairement à l'hydrogène sous vide, il est possible de confiner des électrons et des trous dans des boîtes quantiques, c'est à dire., un espace extrêmement réduit de l'ordre de quelques nanomètres, et une augmentation de l'énergie de stabilisation de l'état multi-électronique peut être attendue.

Dans cette recherche, points quantiques d'arséniure de gallium (GaAs) noyés dans de l'arséniure de gallium et d'aluminium (AlGaAs), fabriqués par la méthode d'épitaxie de gouttelettes ont été utilisés. Cette méthode a été développée à l'origine par le NIMS. En tant que caractéristique distinctive des points quantiques, la longueur du treillis cristallin est parfaitement adaptée entre les matériaux de l'invité et de l'hôte.

Par conséquent, une structure quantique propre sans précédent a été réalisée. Nous avons réussi à observer des excitons chargés en mesurant les signaux d'émission de photons à partir de points quantiques uniques. En particulier, lorsque l'énergie de stabilisation des excitons chargés a été comparée à celle d'une structure de puits quantique du même type de matériau, qui était auparavant connu pour être ~1 meV, il s'est avéré avoir une valeur plus de 10 fois plus grande. Cette augmentation de l'énergie à plusieurs corps est due à une augmentation remarquable de la force de Coulomb entre dans le système à plusieurs particules résultant de l'emballage des électrons dans un nano-espace tridimensionnel. Ce résultat élucide pour la première fois l'effet du confinement d'un état multiélectronique dans un nano-espace, qui n'était pas connu dans le passé, et est donc un résultat avec un impact scientifique extrêmement important.

Du point de vue de la technologie appliquée, parce que la corrélation électronique est également la source de divers types de dispositifs à effet non linéaire tels que les dispositifs de commutation optique et les lasers, si l'intensité de l'interaction peut être contrôlée à l'aide de nanostructures, on peut s'attendre à ce que cela conduise au développement de dispositifs optiques à semi-conducteurs qui permettent un entraînement stable avec une faible consommation d'énergie.