Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

In Nano-Pyramiden eingesperrte Elektronen

27.09.2012
Quantenpunkte sind Nano-Strukturen aus halbleitenden Materialien, die sich recht einfach herstellen lassen und in ihrem Verhalten einzelnen Atomen ähneln.
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sehen Forscher in Quantenpunkten ein hohes Potenzial für technologische Anwendungen. Hierfür muss man jedoch das Verhalten der darin „gefangenen“ Elektronen viel besser verstehen. Dresdner Physiker konnten erstmals beobachten, wie Elektronen in einzelnen Quantenpunkten Energie aufnehmen und als Licht wieder abgeben. Die Ergebnisse wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ veröffentlicht.

Quantenpunkte sehen aus wie winzige Pyramiden. In solch einer einzelnen Nano-Pyramide befinden sich immer nur ein oder zwei Elektronen, die quasi die engen Wände um sich herum „spüren“ und deshalb in ihrer Beweglichkeit stark eingeschränkt sind. Wissenschaftler aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Dresden und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden haben nun die besonderen Energiezustände der gefangenen Elektronen in einzelnen Quantenpunkten untersucht.
Scharfe Energieniveaus

Das Verhalten von Elektronen in einem Material bestimmt prinzipiell dessen Eigenschaften. Wegen der räumlichen Begrenzung in allen drei Raumrichtungen können Elektronen in einer Nano-Pyramide nur ganz bestimmte Energieniveaus besetzen – deshalb werden Quantenpunkte auch „künstliche Atome“ genannt. Von der chemischen Zusammensetzung des Halbleiter-Materials, aber auch von der Größe der Nano-Pyramiden hängt die genaue Lage dieser Energieniveaus ab. „Die scharf begrenzten Energieniveaus werden beispielsweise in sehr energieeffizienten Lasern auf der Basis von Quantenpunkten genutzt. Das Licht wird dadurch erzeugt, dass ein Elektron von einem energetisch höheren Niveau auf ein tieferes zurückfällt. Der Energieunterschied zwischen den beiden Niveaus bestimmt dabei die Farbe des Lichts.“, erklärt Dr. Stephan Winnerl vom HZDR.

Elektronen in einzelnen Quantenpunkten sichtbar gemacht

Den Dresdner Forschern um Dr. Winnerl ist es erstmals gelungen, Übergänge zwischen Energieniveaus in einzelnen Quantenpunkten mit Hilfe von Infrarotlicht abzufragen. Dabei galt es, eine besondere Schwierigkeit zu überwinden: Die Pyramiden aus Indiumarsenid oder Indium-Galliumarsenid entstehen zwar „von selbst“ durch eine bestimmte Art des Kristallwachstums, aber ihre Größe schwankt in einem gewissen Bereich. Untersucht man sie mit infrarotem Licht, so sieht man verwaschene Signale, weil die Elektronen in unterschiedlich großen Pyramiden auf verschiedene Infrarot-Energien ansprechen. Somit ist es wichtig, sich die gefangenen Elektronen in einem einzelnen Quantenpunkt anzusehen.

Ein Justierlaser fokussiert die Messspitze des Mikroskops. In der Verlängerung des Laserstrahls kommt von oben die Spitze, darunter befindet sich die Einheit zur Bewegung der Probe. HZDR

Die Wissenschaftler nutzen hierfür eine besondere Methode: die Nahfeld-Mikroskopie. Laserlicht wird auf eine metallische, weniger als 100 Nanometer dicke Spitze eingestrahlt, die das Licht stark bündelt – und zwar hundertfach kleiner als die Lichtwellenlänge, welche sonst die Grenze in der „normalen“ Optik mit Linsen und Spiegeln darstellt. Wird das gebündelte Licht auf genau eine Pyramide gelenkt, gibt es Energie an die Elektronen ab und hebt sie so auf ein höheres Energieniveau an. Beobachtet man bei diesem Vorgang das von der Spitze gestreute Infrarotlicht, so wird dieser Energieübertrag messbar. Mit der Nahfeld-Mikroskopie gehen zwar hohe Signalverluste einher, doch ist der Lichtstrahl immer noch stark genug, um die Elektronen in einer Nano-Pyramide anzuregen. Die Methode ist gleichzeitig so empfindlich, dass man damit ein Bild im Nanometerbereich erzeugen kann, auf dem sich die ein oder zwei Elektronen in einem Quantenpunkt als deutlicher Kontrast abzeichnen. So konnte Dr. Winnerl mit seinen Kollegen vom HZDR sowie mit Physikern von TU und IFW Dresden das Verhalten der Elektronen in einem Quantenpunkt sehr genau studieren und zu dessen Verständnis beitragen.

Infrarot-Licht vom Freie-Elektronen-Laser

Für die Experimente kam das infrarote Licht vom Freie-Elektronen-Laser im HZDR zum Einsatz. Dieser spezielle Laser ist für die Untersuchungen eine ideale Strahlungsquelle im infraroten Bereich, weil die Energie seines Lichts so eingestellt werden kann, dass sie genau zu den Energieniveaus in den Quantenpunkten passt. Auch liefert der Laser derart intensive Strahlung, dass die methodisch zwangsläufigen Verluste leicht wettgemacht werden können.
„Als nächstes wollen wir das Verhalten von Elektronen in Quantenpunkten bei tieferen Temperaturen durchleuchten.“, sagt Dr. Winnerl. „Von diesen Messungen erhoffen wir uns noch genauere Einblicke in das gefangene Leben der Elektronen. Wir wollen insbesondere die Wechselwirkung der Elektronen untereinander, aber auch mit den Schwingungen des Kristallgitters noch viel besser verstehen.“ Der Freie-Elektronen-Laser bietet jedenfalls dank der intensiven Laserblitze in einem großen, frei wählbaren Spektralbereich beste Voraussetzungen für die Methode der Nahfeld-Mikroskopie am Standort Dresden, die besonders von der engen Zusammenarbeit mit Prof. Lukas Eng von der TU Dresden im Rahmen von DRESDEN-concept profitiert.

Publikation: R. Jacob, S. Winnerl u.a.: „Intersublevel spectroscopy on single InAs-quantum dots by terahertz near-field microscopy“, in Nano Letters, Band 12 (2012), S. 4336 (DOI: 10.1021/nl302078w)

Weitere Informationen:
Prof. Manfred Helm | Dr. Stephan Winnerl
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im HZDR
Tel. 0351 260-2260 | -3522
m.helm@hzdr.de | s.winnerl@hzdr.de

Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Pressesprecherin
Tel. 0351 260-2450 oder 0160 969 288 56
c.bohnet@hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Materie, Gesundheit und Energie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
• Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
• Wie nutzt man Ressourcen und Energie effizient und sicher?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden fünf Großgeräte mit teils einmaligen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 1.1.2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 900 Mitarbeiter – davon ca. 400 Wissenschaftler inklusive 140 Doktoranden.

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de/
http://pubs.acs.org/toc/nalefd/12/8

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise