Leichte Löcher in Quantenpunkten
Hochqualitative Quantenpunkte mit einem leichten Loch im Grundzustand erzeugt.
Wissenschaftlern am Institut für Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und an der Johannes Kepler Universität (JKU) ist es in Kooperation mit Kollegen am Kavli Institut der TU Delft und am Max-Planck Institut für Festkörperforschung Stuttgart gelungen, hochqualitative Quantenpunkte mit einem leichten Loch im Grundzustand zu realisieren. Halbleiter-basierte Quantensysteme gelten als vielversprechende Bausteine für zukünftige Systeme für hochsichere Datenübertragung. In diesem Feld könnten leichte Löcher in Quantenpunkten als Zwischenspeicher für „Quantenbits“ zum Einsatz kommen.
Abb.: Lichtemission eines Quantenpunkts in einer Nanomembran unter Zugspannung. Die Beteiligung eines leichten Lochs in der Rekombination äußert sich durch vertikal polarisiertes Licht (gelbe Welle; Bild: IFW)
Wie im Falle eines Atoms lassen sich Elektronen auch in einem Quantenpunkt von ihrem Grundzustand durch Zufuhr von Energie in einen angeregten Zustand bringen. Die Rekombination in den Grundzustand kann in beiden Fällen von Lichtemission begleitet werden. In einem undotierten Halbleiter befinden sich die Elektronen im Grundzustand in den Valenzbändern. Nach der Anregung hinterlässt ein Elektron ein Loch in einem der Valenzbänder, das sich wie ein Teilchen verhält und abhängig vom Band eine schwere oder leichte „Masse“ besitzt. Bei den bisher erzeugten Quantenpunkten waren ausschließlich schwere Löcher im Grundzustand beteiligt.
In der vorgestellten Studie wurden Quantenpunkte in einer vorverspannten Halbleiterschicht, einer Nanomembran, mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Nach Entfernen des Substrats dehnen sich diese Nanomembranen aus, und die elastische Zugverspannung ermöglicht den energetischen Austausch des schweren mit dem leichten Lochband. Die Emissionseigenschaften dieser Quantenpunkte unterscheiden sich stark von denen konventioneller Quantenpunkte, die entweder kompressiv verspannt oder unverspannt sind.
Die Arbeit eröffnet die Möglichkeit zur Erforschung von Halbleiter-basierten Quantensystemen (Leichtloch-Exzitonen und Leichtloch-Spins), die bis jetzt kaum untersucht wurden. Die leichten Löcher in Quantenpunkten lassen sich in Zukunft vielleicht für die Speicherung von Quantenbits nutzen. Verglichen mit Elektronen versprechen Löcher längere Speicherzeiten. Darüber hinaus sollten sich leichte Löcher einfacher kontrollieren lassen als schwere Löcher, was die Schreib- und Lesezeit der gespeicherten Information verkürzen kann.
IFW / CT
