Gefangene Elektronen leben länger

Wissenschaftler haben Quantenpunkte hergestellt, deren Energieniveaus signifikant niedriger sind als die Energie der Hauptschwingungen im Kristallgitter und die Lebensdauer der angeregten Elektronen gemessen.

Viele technologische Anwendungen im Bereich der Optik & Photonik basieren darauf, dass Elektronen, die durch Anregung in einen höheren energetischen Zustand versetzt werden, lange dort verharren und nur langsam in ihren Ursprungszustand zurückkehren. Für verbesserte Halbleiter-Laser, aber auch für zukünftige Technologien wie etwa die Quanteninformationsverarbeitung, wäre eine möglichst lange Lebensdauer von angeregten Elektronen wünschenswert.

Vor etwa 20 Jahren konnten Wissenschaftler erstmals sogenannte Quantenpunkte herstellen. Grundlage waren Halbleiter-Substrate beispielsweise aus Galliumarsenid, welches als verwendetes Material im CD-Spieler verantwortlich für die optische Übertragung der Daten ist, auf denen Quantenpunkte aus anderen Halbleitermaterialien wuchsen. Diese Quantenpunkte sehen aus wie winzige Pyramiden und bestehen typischerweise aus 1.000 bis etwa 10.000 Atomen. Die Ausdehnung der Nano-Pyramiden ist so gering, dass die Elektronen quantenmechanischen Regeln gehorchen und nicht mehr frei beweglich sind. So können die Elektronen in Quantenpunkten nur bestimmte Energieniveaus einnehmen. Die Elektronen treffen zudem in allen drei Richtungen auf Begrenzungen und verhalten sich deshalb wie eine Art künstliches Atom, das in Zukunft der Ausgangspunkt für neue (opto-)elektronische Bauelemente sein könnte.

Damals wurde vorhergesagt, dass angeregte Elektronen in den Quantenpunkten eine extrem lange Lebenszeit hätten, weil sie in dem dreidimensionalen Gefängnis kaum eine Möglichkeit finden würden, um Energie abzugeben. Viele Jahre versuchten Forscher sich daran, dieses Rätsel, das "Phonon-Flaschenhals" genannt wurde, zu entschlüsseln. Dann wurde herausgefunden, dass gerade wegen der starken Begrenzung der Elektronen in den Quantenpunkten keine in der Fachwelt bekannte Theorie nicht zur Anwendung kommen kann, die besagt, dass die Elektronen Energie verlieren aufgrund der Schwingungen im Kristallgitter. Anstatt Energie an das Gitter abzugeben, schließen sich die Elektronen in den Nano-Pyramiden eng mit den Phononen zusammen und bilden die so genannten Polaronen.

Wissenschaftler von der Universität von Sheffield in Großbritannien, der Ecole Normale Supérieure in Paris und vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) nahmen diese Theorie ernst und erzeugten Quantenpunkte, die sie einem akkuraten Test über einen breiten Parameterbereich unterziehen wollten. Neben der Zusammensetzung der Quantenpunkte spielen für deren ungewöhnliche Eigenschaften auch Form und Größe eine entscheidende Rolle. Das internationale Forscherteam stellte Quantenpunkte her, deren Energieniveaus signifikant niedriger waren als die Energie der Hauptschwingungen im Kristallgitter. Nur so war es möglich, die Lebensdauern der angeregten Elektronen signifikant zu verlängern. Um die Lebenszeiten besonders akkurat messen zu können, nutzten die Forscher einen kurz gepulsten Terahertz-Laser, den Freie-Elektronen-Laser am FZD. Die Forscher beobachteten eine tausendfache Verlängerung der Lebensdauer, wenn der Energieabstand nur halbiert wurde. Sie stieg von mehreren Pikosekunden in den Bereich von Nanosekunden und verlängerte sich somit um drei Größenordnungen. Der Grund ist, dass der Abstand der Energieniveaus im Bereich von 10 bis 30 Millielektronenvolt (meV) bzw. weniger Terahertz liegt: 1.5 ns wurden für einen Energieabstand von 14 meV (3.4 THz) und 2 ps bei 30 meV (7 Thz) gemessen. Diese langen Lebensdauern könnten neue Anwendungen bedeuten, besonders für Terahertz-Laser auf Basis von Quantenpunkten.

CB, Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V. /PP