Wie sich 'künstliche Atome' verhalten

News: Wie sich 'künstliche Atome' verhalten

Eigentlich sind 'künstliche Atome' gar keine Atome. Aber da die winzigen Ansammlungen von 1000 bis zu einer Million 'echter' Halbleiteratome zu einem kristallinen Verband von nur ein bis 100 Nanometern Durchmesser sich in mancherlei Hinsicht ähnlich verhalten, nennen Wissenschaftler diese Quantenpunkten manchmal trotzdem so. Ganz wie ihre natürlichen Vorbilder können Elektronen auch in den artifiziellen Systemen nur bestimmte Energiezustände annehmen. Welche verborgenen Symmetrien diesem Verhalten zu Grunde liegt, hat eine Würzburger Arbeitsgruppe untersucht.

"Künstliche Atome" sind heiß umforschte Objekte, denn sie bilden die Grundlage für eine neue Generation von Lasern und ebnen den Weg zu Quantencomputern. Wissenschaftlern um Manfred Bayer von der Universität Würzburg ist es nun erstmals gelungen, einzelne isolierte künstliche Atome zu untersuchen und ihre innere Struktur zu beschreiben (Nature vom 22. Juni 2000).

In den letzten Jahren haben Forscher gelernt, Quantenpunkte gezielt zu erzeugen und ihre Eigenschaften dadurch sehr fein zu steuern. Doch um mit Quantenpunktlasern die Basis für eine neue Lasergeneration schaffen zu können, muss man die energetischen Verhältnisse im Innern der Quantenpunkte sehr genau verstehen. Dazu untersuchten die Physiker die Emission eines einzelnen isolierten Quantenpunktes in einem Gallium-Arsenid-Halbleiter.

Mit einem Laserstrahl regten sie kontrolliert eine bestimmte Anzahl von Elektronen an, die sich dadurch nach gewissen Regeln im Bereich des Quantenpunktes frei bewegen konnten. Zusammen mit dem nun leeren Platz in ihrem Ursprungsatom – dem so genannten "Loch" – bilden sie ein als Exziton bezeichnetes Quasiteilchen. Ein Quantenpunkt mit nur einem Exziton zeigt Ähnlichkeiten zu Wasserstoffatomen, zwei Exzitonen sorgen für Eigenschaften, die an Helium erinnern und so fort.

Die Quasiteilchen besetzen die Energieniveaus der künstlichen Atome in genau definierter Weise. Nach welchen Gesetzen das abläuft, verraten die Emissionslinien von optisch angeregten Quantenpunkten. Sie zeigen zum Beispiel, daß sich auf der s-Schale – dem niedrigsten Niveau – maximal zwei Exzitonen aufhalten können. Die Quasiteilchen unterscheiden sich dabei nur in ihrer Spinrichtung. Komplizierte quantenmechanische Berechnungen erbrachten, dass versteckte Symmetrien für die Verteilung der Exzitonen auf die Energieniveaus der künstlichen Atome verantwortlich sind. Sie beeinflussen die Eigenschaften der Emissionspektren, indem sie auf die Entstehung der Elektronen-Loch-Paare sowie deren Rekombination einwirken.

Beim Vergleich der mathematischen Betrachtungen mit den experimentellen Beobachtungen stellten die Wissenschaftler eine hohe Übereinstimmung fest. Wenn die Emission von Quantenpunktlasern aus der Rekombination von Exzitonen-Komplexen resultiert, sollte es möglich sein, die Struktur dieser Laser zu berechnen. Die von den Würzburger Forschern gezeigte "Atom-Spektroskopie" an Festkörper-Systemen eröffnet außerdem die Möglichkeit, Quantenpunkte für Quanten-Informations-Prozesse einzusetzen. Die künstlichen Atome sind extrem flexibel in Bezug auf ihr Design und ihre Wechselwirkung mit optischen Impulsen. Optisch angeregte Quantenpunkte könnten so eines Tages vielleicht die Basis grundlegender Bausteine für Quantencomputer werden.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 17.1.2000
"Quantenpunkte in Reih und Glied"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom12.10.1999
Erste Blicke in die Gräben auf Galliumarsenid-Oberflächen
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 13.4.1999
Computerlogik ohne Transistoren
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 13.8.1998
Wie entstehen Quantenpunkte?
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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