p (Phys.org) —Os pontos quânticos são nanoestruturas de materiais semicondutores que se comportam muito como átomos individuais e são muito fáceis de produzir. Dadas suas propriedades especiais, pesquisadores veem um enorme potencial para pontos quânticos em aplicações tecnológicas. Antes que isso aconteça, Contudo, precisamos entender melhor como os elétrons "aprisionados" dentro deles se comportam. Os físicos de Dresden observaram recentemente como os elétrons em pontos quânticos individuais absorvem energia e a emitem novamente como luz. Seus resultados foram publicados recentemente na revista Nano Letras . p Os pontos quânticos parecem pirâmides minúsculas. Dentro de cada uma dessas nano-pirâmides estão sempre apenas um ou dois elétrons que essencialmente "sentem" as paredes restritivas ao seu redor e, portanto, são fortemente restringidos em sua mobilidade. Cientistas de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), A TU Dresden e o Instituto Leibniz para Pesquisa de Estado e Materiais Sólidos (IFW) estudaram agora os estados de energia especiais dos elétrons presos dentro de pontos quânticos individuais.

p Níveis de energia nítidos

p O comportamento dos elétrons em um material determina essencialmente suas propriedades. Sendo espacialmente restrito em todas as três dimensões espaciais, elétrons dentro de uma nano-pirâmide só podem ocupar níveis de energia muito específicos - é por isso que os pontos quânticos também são chamados de "átomos artificiais". A localização desses níveis de energia depende da composição química do material semicondutor, bem como do tamanho da nano-pirâmide. "Esses níveis de energia claramente definidos são explorados, por exemplo, em lasers de alta eficiência energética com base em pontos quânticos. A luz é produzida quando um elétron cai de um nível de energia superior para um inferior. A diferença de energia entre os dois níveis determina a cor da luz, "Dr. Stephan Winnerl de HZDR explica.

p Vendo elétrons dentro de pontos quânticos individuais

p Os pesquisadores em Dresden trabalhando com o Dr. Winnerl foram recentemente os primeiros a ter sucesso na varredura de transições entre níveis de energia em pontos quânticos únicos usando luz infravermelha. Embora, eles só podiam fazer isso depois de superar um certo obstáculo:enquanto as pirâmides de arseneto de índio ou gálio se formam espontaneamente durante um modo específico de crescimento de cristal, seu tamanho varia dentro de um determinado intervalo. Estudando-os com luz infravermelha, por exemplo, obtém-se sinais borrados porque os elétrons em pirâmides de tamanhos diferentes respondem a energias infravermelhas diferentes. É por isso que é tão importante obter uma visão detalhada dos elétrons aprisionados dentro de um único ponto quântico.

p Os cientistas abordaram essa tarefa com o método especial de varredura em microscopia de campo próximo. A luz do laser é direcionada para uma ponta metálica com menos de 100 nanômetros de espessura, que colima fortemente a luz a cem vezes menor que o comprimento de onda da luz, que é o limite de resolução espacial para óptica "convencional" usando lentes e espelhos. Ao focar essa luz colimada precisamente em uma pirâmide, a energia é doada aos elétrons, assim, excitando-os a um nível de energia mais alto. Esta transferência de energia pode ser medida observando a luz infravermelha espalhada pela ponta neste processo. Embora a microscopia de campo próximo envolva grandes perdas de sinal, o feixe de luz ainda é forte o suficiente para excitar os elétrons dentro de uma nano-pirâmide. O método também é tão sensível que pode criar uma imagem em nanoescala na qual um ou dois elétrons dentro de um ponto quântico se destacam em claro contraste. Desta forma, Stephan Winnerl e seus colegas de HZDR, além de físicos da TU e IFW Dresden, estudou o comportamento dos elétrons dentro de um ponto quântico em grande detalhe, contribuindo assim para a nossa compreensão deles.

p Luz infravermelha do laser de elétron livre

p A luz infravermelha usada nos experimentos veio do laser de elétrons livres no HZDR. Este laser especial é uma fonte de radiação infravermelha ideal para tais experimentos porque a energia de sua luz pode ser ajustada para corresponder com precisão ao nível de energia dentro dos pontos quânticos. O laser também fornece uma radiação tão intensa que mais do que compensa as perdas inevitáveis ​​inerentes ao método.

p "Próximo, pretendemos revelar o comportamento dos elétrons dentro dos pontos quânticos em temperaturas mais baixas, "Dr. Winnerl diz." A partir desses experimentos, esperamos obter percepções ainda mais precisas sobre o comportamento confinado desses elétrons. Em particular, queremos obter uma compreensão muito melhor de como os elétrons interagem uns com os outros, bem como com as vibrações da rede cristalina. "Graças a seus intensos flashes de laser em uma ampla, faixa espectral livremente selecionável, o laser de elétrons livres oferece condições ideais para o método de microscopia de campo próximo em Dresden, que se beneficia particularmente da estreita colaboração com o Prof. Lukas Eng da TU Dresden no âmbito do conceito DRESDEN.