Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse über die Energieniveaus in Quantenpunkten

25.06.2020

Forscher aus Basel, Bochum und Kopenhagen haben neue Einblicke in die Energiezustände von Quantenpunkten gewonnen. Diese Halbleiter-Nanostrukturen sind vielversprechende Kandidaten für die grundlegenden Informationseinheiten für eine Quantenkommunikation. Die Wissenschaftler bestätigten mit ihren Experimenten gewisse Energieübergänge in Quantenpunkten, die zuvor nur theoretisch vorhergesagt waren: den sogenannten strahlenden Auger-Prozess.

Für die Untersuchungen verwendeten die Forscher in Basel und Kopenhagen spezielle Proben, die das Team vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum hergestellt hatte. Sie berichten über die Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Nanotechnology, online erschienen am 15. Juni 2020.


Julian Ritzmann stellte die Proben für die aktuellen Experimente her.

© RUB, Katja Marquard


Arne Ludwig (links) und Andreas Wieck arbeiten seit vielen Jahren daran, die optimalen Bedingungen für stabile Quantenpunkte zu finden.

© RUB, Katja Marquard

Ladungsträger einsperren

Um einen Quantenpunkt herzustellen, nutzen die Bochumer Forscher selbstorganisierende Vorgänge beim Kristallwachstum. Dabei erzeugen sie Milliarden von nanometergroßen Kristallen aus beispielsweise Indiumarsenid. In diesen können sie Ladungsträger, etwa ein einzelnes Elektron, einsperren.

Interessant für die Quantenkommunikation ist dieses Konstrukt, weil sich mithilfe des Ladungsträger-Spins Informationen codieren lassen. Für diese Codierung ist es nötig, den Spin von außen manipulieren und auslesen zu können.

Beim Auslesen kann eine Quanteninformation zum Beispiel in die Polarisation eines Photons eingeprägt werden. Dieses trägt die Information dann mit Lichtgeschwindigkeit weiter und kann zur Quanteninformationsübertragung genutzt werden.

Daher interessieren sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise dafür, was genau im Quantenpunkt passiert, wenn Energie von außen auf das künstliche Atom eingestrahlt wird.

Besondere Energieübergänge nachgewiesen

Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, der von einem oder mehreren negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Wenn ein Elektron im Atom angeregt ist, also eine erhöhte Energie besitzt, kann es diese Energie auf zwei Weisen reduzieren:

Es kann die Energie in Form eines einzelnen Lichtteilchens (Photon) abgeben, ohne die anderen Elektronen zu beeinflussen. Oder es kommt zum Auger-Prozess, in dem das hochenergetische Elektron all seine Energie an die anderen Elektronen im Atom abgibt.

Dieser Effekt wurde 1922 von Lise Meitner und Pierre Victor Auger entdeckt. Etwa ein Jahrzehnt später beschrieb der Physiker Felix Bloch den sogenannten strahlenden Auger-Prozess. Dabei teilt das angeregte Elektron seine Energie auf ein anderes Elektron im Atom und ein Photon auf.

Ein Halbleiter-Quantenpunkt ähnelt einem Atom in vielerlei Hinsicht. Allerdings war der strahlende Auger-Prozess bislang nur theoretisch für Quantenpunkte vorhergesagt worden. Den experimentellen Nachweis erbrachten nun Forscher aus Basel.

Die Physiker Dr. Matthias Löbl und Prof. Dr. Richard Warburton, zusammen mit Kollegen aus Bochum und Kopenhagen, wiesen den strahlenden Auger-Prozess im kleinstmöglichen System von einem Elektron und einem Photon nach. Damit zeigten sie erstmals eine Verbindung zwischen diesem Prozess und der Quantenoptik. Sie belegten, dass quantenoptische Messungen mit dem strahlenden Auger-Prozess nützlich sein können, um die Dynamik einzelner Elektronen zu untersuchen.

Anwendungen für Quantenpunkte

Mithilfe des strahlenden Auger-Effekts können die Wissenschaftler die Struktur der quantenmechanischen Energieniveaus, die einem einzelnen Elektron im Quantenpunkt zur Verfügung stehen, außerdem präzise bestimmen. Bisher war das nur indirekt über Berechnungen in Kombination mit optischen Methoden möglich. Nun ist ein direkter Nachweis gelungen. Das hilft, das quantenmechanische System besser zu verstehen.

Um ideale Quantenpunkte für verschiedene Anwendungen zu finden, müssen Fragen untersucht werden wie: Wie viel Zeit verharrt ein Elektron in dem energetisch angeregten Zustand? Welche Energieniveaus bildet ein Quantenpunkt? Und wie kann das mittels Herstellungsverfahren beeinflusst werden?

Verschiedene Quantenpunkte in stabilen Umgebungen

Den Effekt beobachtete die Gruppe nicht nur in Quantenpunkten in Indiumarsenid-Halbleitern. Dem Bochumer Team Dr. Julian Ritzmann, Dr. Arne Ludwig und Prof. Dr. Andreas Wieck gelang es auch, einen Quantenpunkt aus dem Halbleiter Galliumarsenid herzustellen. Bei beiden Materialien konnten die Wissenschaftler Quantenpunkte mit sehr stabilen Umgebungen erzeugen, was entscheidend war, um den strahlenden Auger-Prozess nachzuweisen. Bereits seit vielen Jahren arbeitet die Gruppe an der Ruhr-Universität Bochum an den optimalen Bedingungen für stabile Quantenpunkte.

Förderung

Das Projekt wurde gefördert vom National Centre of Competence in Research „Quantum Science and Technology“, dem Schweizerischen Nationalfonds (Fördernummer 200020 156637), der Europäischen Union im Rahmen des Horizon-2020-Programms (Grantnummern 721394 und 840453), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich TRR160, Projekt DFH/UFA CDFA05-06 und Projekt 383065199), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt Q.Link.X/Fördernummer 16KIS0867), dem dänischen Center of Excellence Hy-Q, (Grantnummer DNRF139) sowie dem Europäischen Forschungsrat im Rahmen des ERC Advanced Grants „Scale“.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Andreas Wieck
Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 26726
E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Dr. Arne Ludwig
Lehrstuhl für Festkörperphysik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 25864
E-Mail: arne.ludwig@rub.de

Originalpublikation:

Matthias C. Löbl, Clemens Spinnler, Alisa Javadi, Liang Zhai, Giang N. Nguyen, Julian Ritzmann, Leonardo Midolo, Peter Lodahl, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Richard J. Warburton: Radiative Auger process in the single-photon limit, in: Nature Nanotechnology, 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-0697-2

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Physiker blicken mit Pikoskope in das Innere der atomaren Materie
01.07.2020 | Universität Rostock

nachricht Erstmals freigelegter Planetenkern entdeckt
01.07.2020 | Universität Bern

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: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Im Focus: Sanfter Wandkontakt – das passende Szenario für ein Fusionskraftwerk

Quasikontinuierliche Leistungsabfuhr als wandschonende Methode an ASDEX Upgrade entwickelt

Eine aussichtsreiche Betriebsweise für das Plasma eines späteren Kraftwerks wurde jetzt an der Fusionsanlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für...

Im Focus: Gentle wall contact – the right scenario for a fusion power plant

Quasi-continuous power exhaust developed as a wall-friendly method on ASDEX Upgrade

A promising operating mode for the plasma of a future power plant has been developed at the ASDEX Upgrade fusion device at Max Planck Institute for Plasma...

Im Focus: Physiker blicken mit Pikoskope in das Innere der atomaren Materie

Wissenschaftlern aus den Arbeitsgruppen von Professor E. Goulielmakis vom Institut für Physik der Universität Rostock und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ist es zusammen mit Mitarbeitern des Institutes für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking gelungen, ein neuartiges Lichtmikroskop (Picoscope) mit einer Auflösung von einigen zehn Pikometern zu entwickeln. Sie berichten im Journal „Nature“ jüngst, wie es gelungen ist Bilder zu erstellen, die zeigen, wie sich die Elektronenwolke im Kristallgitter von Festkörpern auf die Atome verteilt. Die Experimente ebnen den Weg zur Entwicklung einer neuen Klasse von laserbasierten Mikroskopen.

Seit der Erfindung des Lichtmikroskops durch Antonie van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert ist der Menschheit eine neue Welt im mikroskopisch Kleinen aufgegangen....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

Virtuelles Meeting mit dem BMBF: Medizintechnik trifft IT auf der DMEA sparks 2020

17.06.2020 | Veranstaltungen

Digital auf allen Kanälen: Lernplattformen, Learning Design, Künstliche Intelligenz in der betrieblichen Weiterbildung, Chatbots im B2B

17.06.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

02.07.2020 | Materialwissenschaften

Taifun veränderte Erdbebenaktivität

02.07.2020 | Geowissenschaften

Maßgeschneiderte Katalysatoren für Power-to-X

02.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics