یک گروه تحقیقاتی به رهبری تاکاشای کوردو از مرکز تحقیقات نقاط کوانتومی، وابسته به مؤسسهی ملی علم مواد، در پروژهی مشترکی که با دانشگاه هوکایدو به انجام رساندند، نشان دادند که میتوان حالتهای کوانتومی تعدادی ذره را در نیمههادیهای نقاط کوانتومی، تحت کنترل درآورد.
محدود کردن الکترونها در یک فضای سهبعدی نانومقیاس
یک گروه تحقیقاتی به رهبری تاکاشای کوردو از مرکز تحقیقات نقاط کوانتومی، وابسته به مؤسسهی ملی علم مواد، در پروژهی مشترکی که با دانشگاه هوکایدو به انجام رساندند، نشان دادند که میتوان حالتهای کوانتومی تعدادی ذره را در نیمههادیهای نقاط کوانتومی، تحت کنترل درآورد. آنها همچنین موفق شدند که انرژی مرتبط به این حالتهای کوانتومی را تغییر دهند. این موفقیت منجر خواهد شد که امکان توسعهی ادوات نیمههادی غیر خطی وجود داشته باشد و بتوان ادواتی با انرژی مصرفی پایین تولید کرد.
با ورود یک الکترون و پروتون در فضای خلأ، بر اثر جاذبهی کلومبی امکان برخورد آنها به یکدیگر وجود دارد که محصول آن، تشکیل اتم هیدروژن است. حال اگر الکترون یا پروتون دیگری به این فضا اضافه شود، آنگاه یک مولکول هیدروژن یونی تشکیل میشود که هر سه جزء را در خود جا دادهاست.
این حالتهای کوانتومی در جامدات نیز وجود دارد. یک جفت الکترون و حفره در یک نیمههادی، تشکیل یک اتم هیدروژن حالت برانگیخته میدهد. اگر الکترون یا حفرهی دیگری به سیستم اضافه شود، حالت پیچیدهای از سه ذره ایجاد میشود که به آن حالت برانگیختهی باردار میگویند. بر خلاف وضعیت هیدروژن در خلأ، در نیمههادیها میتوان الکترون یا حفره را در نقاط کوانتومی، یعنی فضایی بسیار کوچک در حد چند نانومتر، محدود کرد و با این کار میتوان انتظار داشت که انرژی پایداری حالتهای چندگانهی الکترونیکی افزایش یابد.
در این تحقیق، نقاط کوانتومی آرسنید گالیم (GaAs) که درون آرسنید گالیوم آلومینیوم (AlGaAs) قرار گرفتهاست با روش اپیتاکسی قطرهای تولید میشود. آنها با استفاده از اندازهگیری سیگنالهای نشر فوتون در نقاط کوانتومی، برانگیختگیهای باردار را مشاهده کردند. پژوهشگران دریافتند که اگر انرژی پایداری برانگیختگیهای باردار در نقاط کوانتومی این ماده از انرژی پایداری برانگیختگیهای باردار چاههای کوانتومی آن بیشتر باشد (تقریباً یک میلیولت)، آنگاه این انرژی تا ۱۰ برابر افزایش مییابد. افزایش این انرژی بهدلیل افزایش انرژی جاذبهی کولمبی میان ذرات سیستم میباشد. منشأ این نیروی جاذبه نیز محدود شدن الکترون در یک فضای سهبعدی است. نتایج این تحقیق برای اولین بار اثر محدود شدن الکترونها را در یک فضای نانومقیاس نشان داد که اهمیت علمی بسیار زیادی دارد. از آنجا که ارتباط الکترونی، منبع بسیاری از «ادوات اثر غیر خطی» مانند سوئیچهای نوری و لیزرهاست، بنابراین اگر بتوان شدت برهمکنش را با استفاده از نانوساختارها کنترل کرد، آنگاه میتوان ادوات نیمههادی نوری را به نحوی توسعه داد که در حین پایدار بودن انرژی کمتری مصرف کنند.
