Wenn künstliche Atome leuchten

Veröffentlichungen zu Quantenpunkten und zum Auger-Effekt

05.08.2016 - Deutschland

Ist das Elektron drin, geht im künstlichen Atom das Licht aus: Die Physiker Annika Kurzmann und Dr. Martin Geller vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) konnten einzelne Elektronen dabei beobachten, wie sie blitzschnell in winzige Strukturen eindringen. Für ihre Erkenntnisse wurden sie mit gleich zwei Veröffentlichungen in den Fachmagazinen „Physical Review Letters“ und „Nano Letters“ sowie mit einer Auszeichnung belohnt. Auch moderne Fernseher könnten von den Ergebnissen profitieren.

Die Strukturen, mit denen Annika Kurzmann arbeitet, sind nur etwa 20 x 20 x 3 Nanometer groß. Die winzigen Knübbelchen werden „Quantenpunkte“ genannt oder auch „künstliche Atome“, weil sie wie echte Atome verschiedene Energieniveaus für Elektronen besitzen. Mit einer speziellen Methode, der „Resonanten Fluoreszenz" konnte die 27-Jährige nun erstmals beobachten, wie ein einzelnes Elektron aus einem Reservoir in einen einzelnen Quantenpunkt hineingelangt – es „tunnelt“. Waren solche einzelnen Prozesse bisher nur elektrisch zu detektieren, ist das Beobachten nun wörtlich zu nehmen: „Der Quantenpunkt leuchtet bis zu dem Moment, da das Elektron hineintunnelt. Dann geht er aus.“ Dabei haben die Forscher festgestellt: Ist der Quantenpunkt zuvor leer, tunnelt das Teilchen schnell hinein. Ist dagegen schon ein Elektron in der Struktur enthalten, ist der Übergang langsamer. „Das ist wie im Bus“, erklärt sie schmunzelnd. „Sie setzen sich ja auch lieber in eine Bank, die noch nicht besetzt ist.“

In einem Nachfolgeexperiment brachte Kurzmann ein Ladungspaar in einen Quantenpunkt ein, in dem sich bereits ein Elektron befand. Auch hier war es möglich, den Quantenpunkt zum Leuchten zu bringen. Jedoch geschah es manchmal, dass die Energie auf das zusätzliche Elektron übertragen wurde und dieses daraufhin aus dem Quantenpunkt schoss – das Leuchten nahm in diesem Fall ab. Diesen sogenannten Auger-Effekt haben Kurzmann und Geller erstmals für diese Art Materialien nachgewiesen. Sie konnten deutlich machen, dass der Effekt das Leuchten dann besonders stark unterdrückt, wenn das Elektron nur langsam tunnelt. Diese Erkenntnis ist besonders wichtig bei modernen Fernsehern, deren Pixel durch Quantenpunkte besonders kräftig leuchten sollen. Die Unterhaltungsindustrie ist daher auf Materialien angewiesen, in denen die Prozesse besonders schnell ablaufen, damit die Pixel nur kurze Zeit dunkel bleiben.

Für das Poster zu ihren Erkenntnissen ist Kurzmann mit einem „Outstanding Poster Award“ der Quantenpunkttagung 2016 in Korea ausgezeichnet worden.

Originalveröffentlichung

Kurzmann, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Lorke, M. Geller; "Optical Blocking of Electron Tunneling into a Single Self-Assembled Quantum Dot"; Physical Review Letters; 2016 117, 017401

Kurzmann, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Lorke, M. Geller; "Auger Recombination in Self-Assembled Quantum Dots: Quenching and Broadening of the Charged Exciton Transition"; Nano Letters; 2016 16 (5), 3367-3372

https://www.chemie.de/news/159185/wenn-kuenstliche-atome-leuchten.html

Originalveröffentlichung

Kurzmann, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Lorke, M. Geller; "Optical Blocking of Electron Tunneling into a Single Self-Assembled Quantum Dot"; Physical Review Letters; 2016 117, 017401

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