С точки зрения практического применения квантовые точки являются одной из наиболее перспективных тем современной физики полупроводников. Инженерам и ученым уже понятно как их можно применить во множестве областей – в медицине, биологии, оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике. Но для этого необходимо очень хорошо знать их свойства.
Квантовые точки принадлежат микромиру, где прямое наблюдение невозможно. Но об их свойствах можно достоверно судить и по косвенным признакам, исследуя особенности энергетических спектром, чем активно занимаются многие ученые. Именно к таким работам можно отнести деятельность ученых из Базеля, Бохума и Копенгагена. В этой коллаборации для квантовых точек смогли улучшить методику экспериментального изучения особенностей строения спектра и подтвердить существование физического процесса, до сего момента предсказанного лишь теоретически.
Что же такое квантовая точка? По сути это кусочек полупроводника, внутри которого заключены носители заряда, электроны или дырки. При этом кусочек должен быть настолько мал, чтобы имели значение квантовые эффекты. В нашем конкретном случае исследователи из Бохума создавали квантовые точки, используя процессы самоорганизации при росте кристаллов. Для этого производились миллиарды кристаллов нанометрового размера (например, арсенид индия), которые в процессе роста могли и захватывали одиночные электроны. При этом сам процесс производства дает только общее представление об устройстве квантовой точки и никакого понимания ее свойств.
Поэтому на следующем шаге получившуюся систему нужно исследовать, определив структуру ее энергетического спектра. И вот здесь ученые из Базеля смогли улучшить и применить к квантовой точке довольно точный и популярный в физике твердого тела метод исследования, оже-спектроскопию, основанный на знании о так называемом оже-процессе.
Тут я сделаю небольшое отступление и скажу об этом процессе несколько слов. Когда один из электронов в атоме имеет высокую энергию, то отдать ее он может одним из трех способов. Во-первых, электрон может перейти на уровень ниже, излучив фотон. При этом другие электроны атома этот фотон не поглощают, а их состояние остается неизменным. Вторая возможность – это открытый в 1922 году Лизой Мейтнер и Пьером Виктором Оже процесс, когда электрон отдает всю свою энергию другим электронам в атоме. И в третьих, энергия электрона может одновременно пойти как другому электрону, так и на рождение фотона. Такой эффект называется радиационным процессом Оже. И вот последний процесс для квантовых точек до сего дня экспериментально не наблюдался.
Его обнаружение означает, что теперь базельские ученые научились экспериментально различать радиационный оже-процесс с точностью до одного фотона и одного оже-электрона, что позволит использовать такой процесс в качестве инструмента при исследовании динамики одиночного (!) электрона.
В результате ученые получили возможность точно определять структуру квантово-механических уровней энергии, доступных единственному электрону в квантовой точке, что до сих пор можно было сделать только косвенными методами, сочетая теоретические расчеты и экспериментальные оптические измерения.
А актуальность точного изучения свойств квантовых точек велика. В качестве пример можно упомянуть возможность применения квантовых точек в системах квантовой коммуникации, т.к. в них можно закодировать информацию, придав нужное направление спину захваченного электрона. Но для этого необходимо уметь задавать и определять направление спина. И если задать направление спина можно с помощью понятной и относительно простой технологии, используя магнитные поля, то считать информацию оказывается значительно сложнее. Наиболее осмысленный вариант получения информации о спине состоит в оценке поляризации фотона, который будет излучен квантовой точкой в результат ее возбуждения на предварительном этапе считывания. Причем корректно соотнести данные о фотоне и состоянии квантовой точки можно лишь тогда, когда абсолютно точно понятно устройство спектра точки.
Так что подробные сведения о происходящем в квантовой точке крайне важны, и поэтому новый метод исследования – это большой шаг в исследованиях, без сомнений.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
