Dynamik in Quantenpunkten: Kleinste messbare Prozesse einzeln erfasst

Im Versuchsaufbau befand sich ein Quantenpunkt – also eine Festkörperstruktur aus nur rund 10.000 Atomen – sehr nahe an einem Reservoir mit Elektronen. Etwa 100-mal pro Sekunde springt ein Elektron zwischen dieser Struktur und dem Reservoir hin und her.

Dabei kann es in einen hohen oder niedrigen Energiezustand in den Quantenpunkt springen und im Innern von oben nach unten wechseln. Diesen Wechsel konnten die Forscher erstmals mit Hilfe der winzigen Sprünge beobachten.

„Diese Messung einzelner Quantensprünge ist die maximale Information, die man aus einem System herausholen kann, denn andere oder schnellere Prozesse, die sich beobachten lassen, gibt es nicht“, erklärt Dr. Martin Paul Geller vom Sonderforschungsbereich 1242 Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne.

Für das Projekt hat das Team aus Experimentalphysikern eng mit Kollegen der theoretischen Physik aus der Arbeitsgruppe von UDE-Professor Dr. Jürgen König zusammengearbeitet. Die theoretischen Physiker haben die Daten anschließend statistisch analysiert und so erstmals fundierte Aussagen über die Dynamik der Elektronen im Quantenpunkt treffen können.

„Wir haben im Prinzip mit einem hochempfindlichen und schnellen optischen Mikroskop gearbeitet, das immer noch viel Luft nach oben bietet“, beschreibt Geller die von den Forschern verfeinerte Messtechnik. Optimiert das Team sie noch ein wenig, könnte sie alle bisherigen elektrischen Methoden in Geschwindigkeit und Ortsauflösung überflügeln.

Dr. Martin Paul Geller, Fakultät für Physik, 0203 37 9-2237, martin.geller@uni-due.de

Optical Detection of Single-Electron Tunneling into a Semiconductor Quantum Dot
A. Kurzmann, P. Stegmann, J. Kerski, R. Schott, A. Ludwig, A. D. Wieck, J. König, A. Lorke, and M. Geller
Phys. Rev. Lett. 122, 247403 (2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.247403