Un électron à l'intérieur d'une boîte quantique est élevé par un photon (forme d'onde verte) à un niveau d'énergie plus élevé. Le résultat est un soi-disant exciton, un état excité composé de deux électrons et d'un trou. En émettant un photon (onde verte), le système revient à l'état fondamental (chemin vert). Dans des cas rares, un processus radiatif Auger a lieu (flèche rouge) :un électron reste à l'état excité, tandis qu'un photon de plus faible énergie (forme d'onde rouge) est émis. Crédit : RUB, Arne Ludwig
Des chercheurs bâlois, Bochum, et Copenhague ont acquis de nouvelles connaissances sur les états énergétiques des points quantiques. Ce sont des nanostructures semi-conductrices et des blocs de construction prometteurs pour la communication quantique. Avec leurs expériences, les scientifiques ont confirmé certaines transitions énergétiques dans les boîtes quantiques qui n'étaient auparavant que théoriquement prédites :le processus dit d'Auger radiatif. Pour leurs enquêtes, les chercheurs de Bâle et de Copenhague ont utilisé des échantillons spéciaux que l'équipe de la chaire de physique appliquée des solides de la Ruhr-Universität Bochum avait produits. Les chercheurs rapportent leurs résultats dans la revue Nature Nanotechnologie , publié en ligne le 15 juin 2020.
Verrouiller les porteurs de charge
Pour créer une boîte quantique, les chercheurs de Bochum utilisent des processus d'auto-organisation dans la croissance cristalline. Dans le processus, ils produisent des milliards de cristaux nanométriques de, par exemple, arséniure d'indium. Dans ceux-ci, ils peuvent piéger des porteurs de charge, comme un seul électron. Cette construction est intéressante pour la communication quantique car l'information peut être codée à l'aide de spins porteurs de charge. Pour ce codage, il est nécessaire de pouvoir manipuler et lire le spin de l'extérieur. Pendant la lecture, l'information quantique peut être imprimée dans la polarisation d'un photon, par exemple. Cela transporte ensuite les informations plus loin à la vitesse de la lumière et peut être utilisé pour le transfert d'informations quantiques.
C'est pourquoi les scientifiques s'intéressent, par exemple, dans ce qui se passe exactement dans la boîte quantique lorsque l'énergie est irradiée de l'extérieur sur l'atome artificiel.
Des transitions énergétiques particulières démontrées
Les atomes sont constitués d'un noyau chargé positivement entouré d'un ou plusieurs électrons chargés négativement. Lorsqu'un électron dans l'atome a une énergie élevée, il peut réduire son énergie par deux processus bien connus :dans le premier processus, l'énergie est libérée sous la forme d'un seul quantum de lumière (un photon) et les autres électrons ne sont pas affectés. Une deuxième possibilité est un processus Auger, où l'électron de haute énergie donne toute son énergie aux autres électrons de l'atome. Cet effet a été découvert en 1922 par Lise Meitner et Pierre Victor Auger.
Représentation schématique d'un exciton chargé, c'est-à-dire un état excité composé de deux électrons et d'un trou dans une boîte quantique. Crédit :Arne Ludwig
Environ une décennie plus tard, une troisième possibilité a été théoriquement décrite par le physicien Félix Bloch :dans le processus dit radiatif Auger, l'électron excité réduit son énergie en la transférant aux deux, un quantum de lumière et un autre électron dans l'atome. Une boîte quantique semi-conductrice ressemble à un atome à bien des égards. Cependant, pour les points quantiques, le processus radiatif Auger n'avait été prédit que théoriquement jusqu'à présent. Maintenant, l'observation expérimentale a été réalisée par des chercheurs de Bâle. Avec leurs collègues de Bochum et de Copenhague, les chercheurs bâlois Matthias Löbl et le professeur Richard Warburton ont observé le processus radiatif Auger dans la limite d'un seul photon et d'un électron Auger. Pour la première fois, les chercheurs ont démontré le lien entre le processus radiatif Auger et l'optique quantique. Ils montrent que les mesures d'optique quantique avec l'émission radiative Auger peuvent être utilisées comme un outil pour étudier la dynamique de l'électron unique.
Applications des points quantiques
Grâce à l'effet radiatif Auger, les scientifiques peuvent également déterminer avec précision la structure des niveaux d'énergie de la mécanique quantique disponibles pour un seul électron dans la boîte quantique. Jusqu'à maintenant, cela n'a été possible qu'indirectement via des calculs en combinaison avec des méthodes optiques. Maintenant, une preuve directe a été réalisée. Cela permet de mieux comprendre le système de mécanique quantique.
Afin de trouver des points quantiques idéaux pour différentes applications, des questions telles que les suivantes doivent être résolues :combien de temps un électron reste-t-il dans l'état énergétiquement excité ? Quels niveaux d'énergie forment une boîte quantique ? Et comment cela peut-il être influencé par des procédés de fabrication ?
Différents points quantiques dans des environnements stables
Le groupe a observé l'effet non seulement dans les points quantiques dans les semi-conducteurs à l'arséniure d'indium. L'équipe de Bochum du Dr Julian Ritzmann, Le Dr Arne Ludwig et le professeur Andreas Wieck ont également réussi à produire une boîte quantique à partir du semi-conducteur arséniure de gallium. Dans les deux systèmes matériels, l'équipe de Bochum a atteint un environnement très stable de la boîte quantique, qui a été décisif pour le processus radiatif Auger. Depuis de nombreuses années maintenant, le groupe de la Ruhr-Universität Bochum a travaillé sur les conditions optimales pour des points quantiques stables.
