Gezielte Auslöschung von Elektronen

Neue Erkenntnisse über Quantenpunkte haben Forscher der Unis Bochum und Duis­burg-Essen gewonnen. Durch fein justiertes Ein­stellen der Halb­leiter-Eigen­schaften erzeugten die Wissen­schaftler besondere lang­lebige Energie­zustände im Inneren der Quanten­punkte, die normaler­weise zu instabil sind, um ver­messen zu werden. Quanten­punkte sind rund zehn Nano­meter groß. Auf­grund ihrer geringen Aus­dehnung ist die Bewegung der Elek­tronen im Inneren räum­lich stark ein­ge­schränkt. Dadurch kann die Energie in einem Quanten­punkt keine konti­nuier­lichen Werte haben. Statt­dessen nehmen die Elek­tronen nur ganz bestimmte Energie­niveaus ein.

Normalerweise befindet sich ein Quantenpunkt im thermo­dyna­mischen Gleich­gewicht. Die ent­hal­tenen Elek­tronen besetzen also die ver­füg­baren Energie­zustände nach­ein­ander vom nied­rig­sten zum höchsten. Mit­hilfe der Kapa­zitäts-Spannungs-Spektro­skopie lassen sich diese Energie­niveaus messen. Zustände im Nicht­gleich­gewicht – in denen die Elek­tronen also die normalen Regeln für die Besetzung der Energie­niveaus nicht befolgen – konnten mit dieser Methode bislang nicht detek­tiert werden. Genau das gelang nun dem Team aus Duisburg-Essen und Bochum.

„Nichtgleichgewichtsprozesse sind für das Maßschneidern von Materi­alien für bestimmte tech­nische Anwen­dungen sehr nütz­lich“, erklärt Andreas Wieck von der Uni Bochum. „Sie können aber auch fatal sein. Daher sind Kennt­nisse über die Erzeu­gung und Kon­trolle dieser Pro­zesse wichtig.“ Ent­schei­dend war, die insta­bilen Nicht­gleich­gewichts­zustände lang genug am Leben zu halten, um sie messen zu können. Für ihre Ver­suche stellten die Forscher Quanten­punkte in einem Halb­leiter mit fein justierten Material­eigen­schaften her. In den Quanten­punkten erzeugten sie Paare aus Elek­tronen und Löchern. Treffen Elektron und Loch aufeinander, löschen sie sich gegen­seitig aus. Die dabei frei werdende Energie wird in Form eines Photons abge­strahlt.

Das umgekehrte Phänomen nutzten die Forscher für die Her­stel­lung der Elek­tronen-Loch-Paare: Sie bestrahlten den Quanten­punkt mit Licht, was im Inneren Elek­tronen und Löcher ent­stehen ließ. Die Material­struktur der Quanten­punkte und ihrer Um­ge­bung hatten die Wissen­schaftler so maß­ge­schnei­dert, dass sie mit den Löchern nun gezielt ein­zelne Elek­tronen aus­löschen konnten. Dabei blieben Elek­tronen im Nicht­gleich­gewichts­zustand übrig, also solche Elek­tronen, die un­typische Energie­niveaus besetzen. Diese Zustände vermaß das Team mit der Kapazitäts-Spannungs-Spektro­skopie. Ergänzend zu den Experi­menten erstellten die Wissen­schaftler ein Modell, das die Messungen der Nicht­gleich­gewichts­zustände theo­re­tisch beschreibt.

„Die experimentellen Ergebnisse als Nicht­gleich­gewichts­phänomene zu inter­pre­tieren lag auf der Hand“, sagt Sascha Valentin von der Uni Bochum. „Ein physi­ka­lisches Modell zu ent­wickeln bedeutete aller­dings größere Klimm­züge, die nur mit­hilfe unserer theo­re­tisch arbei­tenden Kollegen zu bewäl­tigen waren.“ Und sein Kollege Arne Ludwig ergänzt: „Über­raschender­weise haben wir dabei auch heraus­ge­funden, dass ein etab­liertes Modell, welches die Dynamik der Ver­mes­sung von Gleich­gewichts­pro­zessen beschreibt, korri­giert werden muss.“

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