(Phys.org)—Les points quantiques sont des nanostructures de matériaux semi-conducteurs qui se comportent beaucoup comme des atomes simples et sont très faciles à produire. Compte tenu de leurs propriétés particulières, les chercheurs voient un énorme potentiel pour les points quantiques dans les applications technologiques. Avant que cela puisse arriver, cependant, nous devons mieux comprendre comment se comportent les électrons "piégés" à l'intérieur. Les physiciens de Dresde ont récemment observé comment les électrons des points quantiques individuels absorbent l'énergie et l'émettent à nouveau sous forme de lumière. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue Lettres nano .

Les points quantiques ressemblent à de minuscules pyramides. À l'intérieur de chacune de ces nano-pyramides, il n'y a toujours qu'un ou deux électrons qui essentiellement « sentent » les parois de constriction qui les entourent et sont donc étroitement limités dans leur mobilité. Des scientifiques de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), L'Université technique de Dresde et l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde (IFW) ont maintenant étudié les états d'énergie spéciaux des électrons piégés à l'intérieur de points quantiques individuels.

Niveaux d'énergie élevés

Le comportement des électrons dans un matériau détermine essentiellement ses propriétés. Étant spatialement contraint dans les trois dimensions spatiales, les électrons à l'intérieur d'une nano-pyramide ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie très spécifiques – c'est pourquoi les points quantiques sont également appelés « atomes artificiels ». L'emplacement de ces niveaux d'énergie dépend de la composition chimique du matériau semi-conducteur ainsi que de la taille de la nano-pyramide. "Ces niveaux d'énergie bien définis sont exploités, par exemple, dans des lasers à haute efficacité énergétique basés sur des points quantiques. La lumière est produite lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur. La différence d'énergie entre les deux niveaux détermine la couleur de la lumière, " explique le Dr Stephan Winnerl de HZDR.

Voir des électrons à l'intérieur de points quantiques individuels

Les chercheurs de Dresde travaillant avec le Dr. Winnerl ont récemment été les premiers à réussir à analyser les transitions entre les niveaux d'énergie dans des points quantiques uniques à l'aide de la lumière infrarouge. Même si, ils ne pouvaient le faire qu'après avoir surmonté un certain obstacle :alors que les pyramides d'arséniure d'indium ou d'arséniure d'indium et de gallium se forment spontanément au cours d'un mode spécifique de croissance cristalline, leur taille varie dans une certaine fourchette. Les étudier avec la lumière infrarouge, par exemple, on obtient des signaux flous car les électrons dans des pyramides de tailles différentes répondent à différentes énergies infrarouges. C'est pourquoi il est si important d'obtenir une vue détaillée des électrons piégés à l'intérieur d'une seule boîte quantique.

Les scientifiques ont abordé cette tâche avec la méthode spéciale de microscopie à balayage en champ proche. La lumière laser est projetée sur une pointe métallique de moins de 100 nanomètres d'épaisseur, qui collima fortement la lumière à cent fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière, qui est la limite de résolution spatiale pour les optiques "classiques" utilisant des lentilles et des miroirs. En focalisant cette lumière collimatée précisément sur une pyramide, l'énergie est donnée aux électrons, les excitant ainsi à un niveau d'énergie plus élevé. Ce transfert d'énergie peut être mesuré en observant la lumière infrarouge diffusée par la pointe au cours de ce processus. Alors que la microscopie en champ proche implique des pertes de signal importantes, le faisceau lumineux est encore assez puissant pour exciter les électrons à l'intérieur d'une nano-pyramide. La méthode est également si sensible qu'elle peut créer une image à l'échelle nanométrique dans laquelle un ou deux électrons à l'intérieur d'une boîte quantique ressortent en contraste net. Dans cette mode, Stephan Winnerl et ses collègues du HZDR, ainsi que des physiciens de la TU et de l'IFW Dresden, étudié en détail le comportement des électrons à l'intérieur d'une boîte quantique, contribuant ainsi à notre compréhension.

Lumière infrarouge du laser à électrons libres

La lumière infrarouge utilisée dans les expériences provenait du laser à électrons libres du HZDR. Ce laser spécial est une source de rayonnement infrarouge idéale pour de telles expériences car l'énergie de sa lumière peut être ajustée pour correspondre précisément au niveau d'énergie à l'intérieur des points quantiques. Le laser délivre également un rayonnement si intense qu'il compense largement les pertes inévitables inhérentes au procédé.

"Prochain, nous avons l'intention de révéler le comportement des électrons à l'intérieur des boîtes quantiques à des températures plus basses, " Dit le Dr Winnerl. " A partir de ces expériences, nous espérons obtenir des informations encore plus précises sur le comportement confiné de ces électrons. En particulier, nous voulons acquérir une bien meilleure compréhension de la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres ainsi qu'avec les vibrations du réseau cristallin. gamme spectrale librement sélectionnable, le laser à électrons libres offre des conditions idéales pour la méthode de microscopie en champ proche à Dresde, qui bénéficie en particulier de l'étroite collaboration avec le professeur Lukas Eng de TU Dresden dans le cadre de DRESDEN-concept.