Dynamik in Quantenpunkten
Kleinste messbare Prozesse einzeln erfasst
Umgangssprachlich verwendet man den Begriff „Quantensprung“, um eine gewaltige Entwicklung zu beschreiben. Tatsächlich ist es die kleinste Zustandsänderung, die man noch verfolgen kann. Physikern des Sonderforschungsbereichs 1242 an der Universität Duisburg-Essen (UDE) ist es nun gelungen, erstmals mit optischen Mitteln jeden einzelnen Sprung zu messen und Rückschlüsse auf die Dynamik von Elektronen innerhalb eines Quantenpunkts zu ziehen.
Unten: Ein Elektron kann zwischen Quantenpunkt und Ladungsträgerreservoir hin- und herspringen. Die roten Pfeile stehen für Licht, mit dem diese Prozesse beobachtet werden können. Oben: Beobachtung der Quantensprünge.
Im Versuchsaufbau befand sich ein Quantenpunkt – also eine Festkörperstruktur aus nur rund 10.000 Atomen – sehr nahe an einem Reservoir mit Elektronen. Etwa 100-mal pro Sekunde springt ein Elektron zwischen dieser Struktur und dem Reservoir hin und her. Dabei kann es in einen hohen oder niedrigen Energiezustand in den Quantenpunkt springen und im Innern von oben nach unten wechseln. Diesen Wechsel konnten die Forscher erstmals mit Hilfe der winzigen Sprünge beobachten.
„Diese Messung einzelner Quantensprünge ist die maximale Information, die man aus einem System herausholen kann, denn andere oder schnellere Prozesse, die sich beobachten lassen, gibt es nicht“, erklärt Dr. Martin Paul Geller vom Sonderforschungsbereich 1242 Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne. Für das Projekt hat das Team aus Experimentalphysikern eng mit Kollegen der theoretischen Physik aus der Arbeitsgruppe von UDE-Professor Dr. Jürgen König zusammengearbeitet. Die theoretischen Physiker haben die Daten anschließend statistisch analysiert und so erstmals fundierte Aussagen über die Dynamik der Elektronen im Quantenpunkt treffen können.
„Wir haben im Prinzip mit einem hochempfindlichen und schnellen optischen Mikroskop gearbeitet, das immer noch viel Luft nach oben bietet“, beschreibt Geller die von den Forschern verfeinerte Messtechnik. Optimiert das Team sie noch ein wenig, könnte sie alle bisherigen elektrischen Methoden in Geschwindigkeit und Ortsauflösung überflügeln.
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