Odkrycia

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

Wszyscy przywykliśmy do tego, że świat, w którym żyjemy jest
trójwymiarowy, opisany trzema niezależnymi współrzędnymi
przestrzennymi (X - długość, Y - szerokość, Z lub H - wysokość).
Zapewne mało kto zastanawiał się nad istnieniem światów o
wymiarowośći innej niż 3. A przecierz teorię względnośći Alberta
Einsteina opisujemy w przestrzeni czterowymiarowej, gdzie trzy
wymiary związane są z wyżej opisanymi współrzędnymi
przestrzennymi, a czwarty z czasem - przestrzeń i czas są częściami
jednej całości - czasoprzestrzeni. W pewnych zagadnieniach matematycznych używa się
przestrzeni n - wymiarowych, gdzie n to dowolna liczba naturalna (przestrzeń taką możemy nawet
rozciagnąć na nieskończenie wielką liczbę wymiarów). Można też spotkać się z wymiarem
ułamkowym (gdzie n nie jest liczbą całkowitą), a figury, których wymiar podobnościowy (bo o
takim tu mowa) nie jest liczbą całkowitą nazywamy fraktalami. Najbardziej fascynujace jest to, że
możemy zbudować światy o wymiarowości mniejszej niż 3, w których będą sobie żyły elektrony.
Owe mikroświaty to właśnie tytułowe druty i kropki kwantowe.

Drutem kwantowym nazywamy strukturę, w której elektrony poruszają się tylko w jednym
kierunku, a ruch w pozostałych kierunkach jest niemożliwy (mówimy, że ruch jest skwantowany w
tych kierunkach). Elektron tutaj porusza się w przestrzeni jednowymiarowej. Elektrony w drucie
kwantowym tworzą gaz jednowymiarowy. Analogią (z makroświata-"świata dużych cząstek") do
ruchu elektronu w drucie kwantowym jest np. ruch lokomotywy po idealnie prostym torze
kolejowym (ruch tylko w kierunku X). Jeśli teraz długość toru kolejowego jest równa odległości
między skrajnymi osiami i lokomotywa nie może wykonywać ruchu w żadnym kierunku, to
zostanie uwięziona w swiecie zerowymiarowym - analogia do kropki kwantowej. A więc,
ograniczając ruch elektronu uniemożliwiamy mu wykonywanie ruchu w pozostałym - trzecim
kierunku i elektron zostaje uwięziony w kropce kwantowej. Elektrony uwięzione w kropce
kwantowej stanowią zerowymiarowy gaz elektronowy. Aby zbudować kropke kwantową należy
tylko ograniczyć ruch elektronu we wszystkich trzech kierunkach wiążąc je w trójwymiarowym
pudle potencjału o zadanym kształcie. A teraz, gdy już wiemy czym są tytułowe dziwadła
kwantowe możemy zastanowić się w jaki sposób można je otrzymać. Ograniczymy się do samej
idei uzyskiwania drutów i kropek kwantowych bez opisu technologii wytwarzania tych struktur.

DRUTY I KROPKI KWANTOWE - I JAK TO ZROBIĆ?

Page 1 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

Mikroświat ma swoje prawa, którymi się rządzi i fizycy nauczyli się opisywać go za pomocą
mechaniki kwantowej. Jeśli spróbujemy wyobrazić sobie kryształ, to jawi nam się przed oczyma
układ idealnie uporządkowanych w rzędach odległych od siebie o kilka angstremów (1 angstrem
to 10

-10

m) atomów, pomiędzy którymi może poruszać się elektron. Jeśli kryształ jest idealny,

czyli atomy znajdują się na swoich miejscach i nie ma obcych atomów (zanieczyszczeń), to
okazuje się, że ruch elektronu jest ruchem swobodnym (tak jakby nie było tych wszystkich
atomów), z tym tylko, iż jego masa ulega istotnej zmianie. Zatem w krysztale idealnym elektron
może być opisany jako cząstka materialna o zmienionej (w stosunku do elektronu swobodnego w
próżni) masie, swobodnie poruszająca się w trzech wymiarach. Jest to pełna analogia do kulki
poruszającej się swobodnie w trójwymiarowej przestrzeni. Jeśli pozostaniemy przy analogii kulki
w trójwymiarowej przestrzeni, rodzi się pytanie: czy istnieje metoda ograniczenia jej swobodnego
ruchu do dwu wymiarów.Umieśćmy więc kulkę na idealnie płaskim stole i przykryjmy ją od góry
takim samym stołem, aby ruch kulki mógł odbywać się tylko w płaszczyźnie stołu (kulka może
swobodnie zmieniać kierunek X i Y, natomiast ruch w kierunku Z-owym jest zabroniony).Dla
swobodnego elektronu w krysztale takimi ogranicznikami są bariery potencjału. Tego rodzaju
"ściany potencjału", wywołane zewnętrznymi czynnikami, elektron pokonuje wtedy, gdy istotnie
zwiększy swoją energię. Jeśli takie ściany ograniczają ruch elektronu wzdłuż osi Z (zarówno w
górę, jak i w dół), to swobodny ruch dopuszczalny jest jedynie w płaszczyźnie X, Y (rys. 1).

Rys. 1. Elektron uwięziony pomiędzy dwiema barierami potencjału

Zatem dopóki elektron nie uzyska wystarczającej energii, aby je pokonać,
jego ruch jest ruchem na płaszczyźnie, a świat, który wtedy zwiedza, jest
płaski, czyli dwuwymiarowy. Naprawdę obrazek jest nieco bardziej
złożony, jako że w języku mechaniki kwantowej elektron nie jest kulką
opisuje go tzw. funkcja falowa, określająca prawdopodobieństwo

znalezienia elektronu. Elektron w krysztale ograniczony przez ściany potencjału (bariery) o
skończonej wysokości w opisie kwantowym ma skończone prawdopodobieństwo znalezienia się
pomiędzy nimi, ale również niezerowe prawdopodobieństwo zaistnienia w obszarach barier.
Okazuje się, że w czasie zbliżania do siebie barier prawdopodobieństwo znalezienia elektronu
pomiędzy nimi maleje, a rośnie w obszarze bariery. Ten typowo kwantowy efekt ma niezwykle
istotne znaczenie dla pełnego zrozumienia zachowania elektronu w krysztale. W dalszym ciągu
będziemy zajmowali się układami, w których wprawdzie bariery potencjału będą blisko siebie, ale
nie na tyle, aby prawdopodobieństwo znalezienia elektronu poza obszarem między barierami było
znaczące. Odstęp między barierami, który już spełnia ten warunek, to około 100 Å , czyli 10

-6

cm.

Jeśli udałoby się skonstruować tak blisko siebie położone bariery potencjału, elektron pomiędzy
nimi mógłby swobodnie poruszać się w płaszczyźnie równoległej do barier (x, y) i byłby
"uwięziony" w kierunku do nich prostopadłym (ruch skwantowany w kierunku z; ani w górę, ani w
dół). Byłby to zatem elektron poruszający się w dwóch wymiarach (x, y).

Jak praktycznie zrealizować barierę potencjału dla elektronu poruszającego się w krysztale?
Odpowiedź na to pytanie wcale nie jest prosta i wymaga głębokiej znajomości mechaniki
kwantowej. Wyobraźmy sobie pary kryształów A i B o identycznej strukturze krystalicznej i
niemal takiej samej stałej sieci (odległości między najbliższymi atomami na płaszczyźnie
krystalicznej), z których można wykonać "kanapkę" BAB (analogia z kanapką jest oczywista:
dwie kromki chleba, pomiędzy którymi znajduje się plasterek szynki).

Rys. 2. Schemat precyzyjnego atom po atomie hodowania kryształu.

W komorze próżniowej umieszcza się podłoże, na którym osadzają się

atomy tworzące kryształ. Ich źródłem jest stopiony materiał

umieszczony na dnie rurek pełniących rolę wyrzutni wiązek

molekularnych

Page 2 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

Odpowiednio dobierając kryształy A i B, można uzyskać efekt, którego poszukiwaliśmy:
swobodne elektrony znajdujące się w warstwie A, aby przedostać się do którejś z warstw B,
napotykają barierę potencjału, do pokonania której potrzebują dodatkowej znacznej energii z
zewnątrz. Tak długo, jak energia taka nie zostanie im dostarczona w warstwie A, są w niej
uwięzione. Jeśli dodatkowo warstwa A jest bardzo cienka (około 100 Å), to jak już uprzednio
mówiliśmy ich ruch skierowany prostopadle do warstwy jest niemożliwy, natomiast pozostaje
nadal swobodny w płaszczyźnie warstwy. Można zaproponować wiele par kryształów A i B, które
mogą być użyte do wytworzenia elektronów ograniczonych do dwóch wymiarów, czyli tzw.
dwuwymiarowego gazu elektronowego. Obecnie najlepiej zbadanym układem jest GaAs jako
warstwa A i kryształ mieszany Ga

0.8

Al

0.2

As jako warstwa B. Dwuwymiarowy gaz elektronowy

uwięziony zostaje w cienkiej (około 100 Å) warstwie GaAs.

W sposób oczywisty nasuwa się pytanie,
czy, wykorzystując opisane techniki,
można wytworzyć drut kwantowy -
strukturę, w której elektrony poruszać się
będą mogły tylko wzdłuż jednego
kierunku? Zatem czy można wytworzyć im
ś

wiat jednowymiarowy? Wracamy więc do

przytoczonej na początku lokomotywy
poruszającej się po prostym torze. Druty
kwantowe wyobrazić sobie można jako
bardzo cienkie paski wycięte z opisanej
powyżej struktury BAB. Dwuwymiarowy
ruch elektronu w warstwie A, przywołując
wcześniejszy przykład z kanapką, to ruch
wewnątrz bardzo cienkiego plasterka
szynki. Jeśli kanapkę BAB pokroić na

takie paseczki, których szerokość szynki będzie porównywalna z jej grubością, uzyskamy właśnie
drut kwantowy. Jeśli szerokość, podobnie jak grubość, ma wymiar 100 Å, ruch w obydwu tych
kierunkach jest niemożliwy. Jedynie wzdłuż drutu kwantowego elektron może poruszać się
swobodnie.

Wycinanie drutów kwantowych ze struktur dwuwymiarowych możliwe jest za pomocą dobrze
zogniskowanej wiązki elektronowej. Cięcie takim nożem polega na niszczeniu przez wiązkę
materiału i wytwarzaniu barier, do których elektrony nie mogą się przedostać. Jeśli wyobrazić
sobie dwa cięcia wiązką elektronową w postaci linii równoległych do siebie i odległych o około
100 Å, to pozostaje pomiędzy nimi nienaruszony kryształ tworzący drut kwantowy.

Istnieją również inne metody wytwarzania jednowymiarowych drutów
kwantowych, wykorzystujące zjawiska samoorganizacji w procesie wzrostu
kryształu (układanie warstw atomowych jedna na drugiej) i nie wymagające
już cięć wiązką elektronową. Mogą one być z powodzeniem stosowane w
praktyce, co umożliwia otrzymanie układu, w którym elektrony poruszają się
w jednym wymiarze.

Wreszcie można sobie wyobrazić, że druty kwantowe potniemy na kawałki.
Jeśli wykorzystamy do tego jedną z wymienionych metod, np. dobrze
zogniskowaną wiązkę elektronów, będziemy zdolni wycinać obszary, których
i trzeci wymiar będzie rzędu 100 Å lub mniejszy. Elektrony znajdą się
uwięzione w pudełku o bokach rzędu 100 A każdy, a zatem ruch w żadnym z
tych trzech kierunków stanie się niemożliwy. W języku mechaniki
kwantowej mówi się o elektronie (elektronach) zamkniętych w pudle. Takie
kwantowo-mechaniczne pudło jest właśnie kropką kwantową. Z punktu

Page 3 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

widzenia ruchu swobodnego elektronu jest to układ zerowymiarowy, jako że w żadną stronę ruch
wtedy nie jest możliwy.

DRUTY I KROPKI KWANTOWE - I PO CO TO WSZYSTKO?

Okazuje się, że źródła światła zbudowane na bazie opisanych wyżej struktur, w gazach
dwu-, a jeszcze lepiej w jedno-, czy zerowymiarowych są bardziej wydajne niż w
klasycznych gazach trójwymiarowych. Stąd też największe zainteresowanie budzą
kropki kwantowe, które mogą stać sie najbardziej efektywnymi źródłami światła.

Jednak zanim odpowiemy sobie na pytanie dlaczego tak jest zapoznamy się z kilkoma faktami z
fizyki półprzewodników. W bardzo niskiej temperaturze bardzo czyste półprzewodniki
(tzw.samoistne) prądu nie przewodzą. Elektrony (odpowiedzialne w metalach za przepływ prądu)
znajdują się w stanach energetycznych tworzących całkowicie zapełnione pasmo (pasmo
walencyjne), oddzielone obszarem niedostępnym energetycznie od pasma wzbudzonego,
całkowicie pustego (pasmo przewodnictwa). Pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa to pasma
dozwolone, natomiast obszar między nimi - to pasmo wzbronione, zwane też przerwą
(elektronowi nie wolno mieć energii zawartej w tym paśmie). Półprzewodniki mogą mieć przerwę
energetyczną, która równoważna jest energii kwantów światła z bardzo odległych zakresów
widma. Jeśli elektron z pasma walencyjnego zostanie w jakiś sposób wzbudzony do pasma

przewodnictwa (dostarczona mu zostanie energia równa co
najmniej wartości przerwy wzbronionej), może rozpocząć się
przepływ prądu. Za przenoszenie ładunku, czyli przepływ
prądu elektrycznego w półprzewodniku samoistnym,
odpowiedzialne są nie tylko wzbudzone elektrony, ale i
pozostawione przez nie "puste" miejsca w paśmie
walencyjnym, które zachowują się jak cząstki dodatnio
naładowane i noszą nazwę dziur. Przy tym samym znaku
napięcia elektrycznego prąd dziurowy skierowany jest w
przeciwną stronę niż prąd elektronowy. Pobudzenie
elektronu do pasma przewodnictwa może odbyć się albo
wskutek podgrzania półprzewodnika, albo jego oświetlenia
(pod warunkiem, że oświetlamy promieniowaniem o energii
przewyższającej wartość przerwy wzbronionej). Wzbudzenie
termiczne można ułatwić, domieszkując półprzewodnik,
czyli wprowadzając niewielką ilość odpowiednio dobranych

atomów chemicznie różnych od atomów macierzystego półprzewodnika. Wybór domieszki
decyduje o tym, czy mamy do czynienia z obszarami bogatszymi w elektrony przewodnictwa
(domieszkowanie donorowe), czy bogatszymi w dziury (domieszkowanie akceptorowe). Raz
wzbudzony elektron może "zrekombinować" z dziurą, przy czym niekiedy towarzyszy temu
wysłanie fotonu (im większa przerwa wzbroniona w półprzewodniku, tym krótsza może być
długość fali świetlnej stowarzyszonej z takim wytworzonym w akcie rekombinacji promienistej
fotonem), a niekiedy nadwyżka energii całkowicie zamienia się w ciepło. W półprzewodnikowych
ź

ródłach światła - diodach i laserach - ten ostatni proces jest oczywiście zjawiskiem

niepożądanym.

Aby łatwiej zrozumieć, to co zostało wyżej napisane przytoczmy pewną analogię.
Wyobraźmy sobie sieci rybackie zawieszone pionowo, rozpięte jedna nad drugą. W
takim ujęciu rzeczy najwyższa sieć (oznaczmy ją numerem 1) jest pasmem
przewodnictwa, ta pod nią to pasmo walencyjne (numer 2), a przestrzeń pomiędzy
nimi to pasmo zabronione (przerwa). Pozostałe sieci (3, 4, 5, ...) nas nie interesują.

Page 4 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

A co to wszystko ma do kropek kwantowych i ich wydajności świecenia? Powiedzmy najpierw
czym jest foton, gdyż wielkości opisujące go mają kluczowe znaczenie do zrozumienia, dlaczego
ś

wiatło pochodzące z kropek kwantowych jest najintensywniejsze. Foton to cząstka, która jak

każda cząstka posiada energię oraz pęd. Pęd fotonu jest bardzo mały, tak mały, iż w wielu
rozważaniach po prostu przyjmuje się, iż jest on równy zeru (pęd fotonu to jego energia podzielona
przez prędkość światła, czyli jego własną prędkość). Światło ma tak dużą prędkość, że pęd fotonu
naprawdę z dobrym przybliżeniem można traktować jako zero. Energia fotonu jest wyrażona
słynnym wzorem Einsteina E = mc

2

, gdzie m to masa relatywistyczna fotonu (masa spoczynkowa

fotonu m

0

wynosi zero). Jeśli elektron został pobudzony z niższego do wyższego stanu

energetycznego i jakiś czas w tym wyższym stanie żyje, równie długo żyje miejsce po nim, czyli
dziura, w niższym stanie energetycznym.

Zarówno elektron, jak i dziura w czasie swojego żywota coś robią: poruszają się, zderzają z
atomami albo defektami struktury (tzw. nieperiodycznościami potencjału). W wyniku tych
wszystkich procesów elektron i dziura zmieniają swój pęd.

Zmiana może być istotna, toteż po czasie życia w wyższym stanie energetycznym pęd elektronu i
dziury znacznie różni się od pędu początkowego, jaki miały w chwili ich wytworzenia. I tu
rozpoczyna się dramat: elektron chciałby spaść do czekającej nań dziury (rekombinować z nią), a
różnicę energii wypromieniować w postaci fotonu.Jednak w każdym procesie fizycznym spełnione
muszą być - prawo zachowania energii i prawo zachowania pędu. Pierwsze mówi, że suma
energii przed i po procesie musi być taka sama (energia musi być zachowana). Z jego spełnieniem
nie ma większych kłopotów, bo emitowany foton zabiera różnicę energii. Należy tutaj dodać, że
kiedy elektron, który przeszedł do pasma przewodnictwa i w wyniku zderzeń uzyskuje dodatkową
energię, to przechodzi on na ściśle określony wyższy podpoziom pasma przewodnictwa, z których
to pasmo jest złożone (czyli tak jakby sieć nr 1 była pewnym układem złożonym z wielu podsieci
gęściej ułożonych niż sieci główne).

Prawdziwy kłopot jest ze spełnieniem prawa zachowania pędu, które mówi, że suma pędów układu
przed procesem i po procesie musi być taka sama. Jeśli w czasie swojego żywota elektron i dziura
uzyskały jakieś pędy, to po rekombinacji ich suma powinna być taka sama. Jednak tutaj sprawa się

Niech teraz piłki, czyli w naszym ujęciu - elektrony znajdują się na sieci nr 2
(dokładnie w okach sieci). Aby wzbudzić elektrony z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa należało im dostarczyć energię co najmniej równą E

przerwa

. W

naszym kontekście należy przenieść piłkę z niższej sieci (nr 2) na wyższą (nr 1)
wykonując przy tym pracę przeciwko grawitacji równą różnicy energii potencjalnej
miedzy sieciami 1, a 2 (E

sieć1

- E

sieć2

= ∆E = E

przerwa

). Teraz sieć 1 jest częściowo

zapełniona piłkami (elektronami) i może popłynąć prąd. Natomiast na sieci nr 2
pozostały puste miejsca po piłkach, które "czekają" na ich powrót (w półprzewodniku
to miejsce nazywa się dziurą). Wiadomo, że stan najtrwalszy energetycznie to stan
minimum energii potencjalnej i piłki będą dążyć do powrotu na niższą sieć nr 2 (będą
spadać na nią i teraz pracę wykona siła grawitacji). Kiedy już piłce znudzi się
przebywać na najwyższej sieci (nr 1), czyli wtedy, gdy jej równowaga zostaje
zachwiana ( a piłka w naszym przypadku znajduje się w stanie równowagi nietrwałej -
oka sieci są tak skonstruowane, iż piłka może się w nim utrzymać lub wypaść przez
nie). Natomiast przestrzeń pomiędzy sieciami 1, 2 jest przezroczysta dla piłek.
Analogiczna sytuacja jest w półprzewodniku, gdzie "spadaniu" elektronu z pasma
przewodnictwa na pasmo walencyjne towarzyszy emisja kwantu promieniowania o
energii nie niższej niż wielkość przerwy energetycznej.

Page 5 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

nieco komplikuje, gdyż że pęd jest wielkością wektorową - oprócz wielkości ma również zwrot i
kierunek. Innymi słowy - należy go rozłożyć na trzy składowe (jeśli proces zachodzi w świecie
trójwymiarowym) i prawo zachowania pędów musi być spełnione dla każdego z tych kierunków.

Możemy, jak poprzednio, próbować wszystko "zwalić" na emitowany foton: niech zabierze
nadmiar pędu i doprowadzi do spełnienia wymaganego prawa. I tu znowu jest kłopot: foton nie
może zabrać (ani dostarczyć) pędu, który powinien być zabrany. Zatem za pomocą cząstek, które
mamy do dyspozycji, nie udaje się spełnić trzech równań (dla różnych kierunków składowych)
wynikających z prawa zachowania pędu. Rekombinować i wyświecać fotony mogą więc tylko te
elektrony i dziury, dla których prawo zachowania pędu jest spełnione. Ale takich par elektron-
dziura jest bardzo mało, a zatem liczba procesów, które mogą zachodzić, decydując o
intensywności wypromieniowanych fotonów, jest też mała.

Czy istnieje jakieś wyjście z tej kłopotliwej sytuacji? Okazuje się, że najprościej byłoby zamienić
ś

wiat trójwymiarowy na dwuwymiarowy. Jeśli elektrony i dziury będą mogły się poruszać tylko w

dwóch kierunkach będą mieć dwie składowe pędu zamiast trzech, do spełnienia pozostaną więc
dwa równania wynikające z prawa zachowania pędu. Wtedy rekombinacja elektronów i dziur
będzie znacznie bardziej prawdopodobna i emisja fotonów bardziej intensywna.

Teraz widać już dlaczego należy budować opisywane struktury.Okazuje się, że natężenie fotonów
emitowane z diody elektroluminescencyjnej, w której elektrony są dwuwymiarowe (podobnie jak
dziury), znacznie przewyższa to, co moglibyśmy otrzymać z takiej diody wykorzystującej
elektrony i dziury trójwymiarowe.

Rys.3. Obraz rzeczywistych kropek "naciętych" na
dwuwymiarowej strukturze

Zatem emisja światła w następstwie rekombinacji zerowymiarowych
elektronów i dziur powinna być ogromna. I tędy prowadzi droga do
bardzo wydajnych źródeł światła.

Pójdźmy zatem jeszcze dalej: jeśli elektrony i dziury nie będą mogły
w ogóle się poruszać, czyli ograniczymy ich ruch we wszystkich
trzech kierunkach, ze spełnieniem prawa zachowania pędu nie będzie
już żadnych problemów. Zatem emisja światła w następstwie
rekombinacji zerowymiarowych elektronów i dziur powinna być

ogromna. I tędy prowadzi droga do bardzo wydajnych źródeł światła.

Z przedstawionego rozumowania wynika, że zjawiska zachodzące w kropce kwantowej są, z
punktu widzenia efektywności świecenia, bardziej wydajne niż np. w gazie dwuwymiarowym. Jest
jednak problem, który działa niekorzystnie, a mianowicie lokalizacja elektronów i dziur. Jeśli mają
znajdować się wewnątrz kropki kwantowej, efekt ten może być znaczący i nie należy go
zaniedbywać.

CIĄG DALSZY WIZJI PRZYSZŁOŚCI KROPEK KWANTOWYCH

Wyjątkowe możliwości badawcze i aplikacyjne stwarza odkrycie kropek kwantowych.
Szczególnie interesującą sytuację uzyskuje się umieszczając w procesie produkcji elektrodę zwaną
bramką wokół kropki. Zwiększenie potencjału elektrycznego bramki zmniejsza rozmiary kropki.
Zwiększenie potencjału elektrycznego bramki zmniejsza rozmiary kropki, "ściskając" elektrony i
powodując wzrost energii stanów elektronowych w kropce. Jeżeli jeszcze dodać w otoczeniu
kropki elektrody, które mogą służyć jako kontakty dla elektronów tunelujących do wnętrza kropki
lub na zewnątrz niej, otrzymujemy strojoną kropkę kwantową. W przypadku takiej kropki
możemy regulować jej kształt oraz liczbę znajdujących się w niej elektronów. W rezultacie

Page 6 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html

otrzymujemy coś co można nazwać sztucznym atomem dającym się modyfikować pod względem
kształtu i liczby elektronów za pomocą potencjałów bramki i elektrod (lokalizujący potencjał
bramki działa jak przyciągające jądro).

Jeszcze bardziej fascynujące możliwości uzyskuje się wytwarzając duże, periodyczne sieci kropek
kwantowych (konstruując bramkę w postaci elektrody siatkowej). Taka sieć jest rodzajem
warstwy sztucznego kryształu zbudowanego ze sztucznych atomów. Za pomocą zmian napięcia
przykładanego do elektrody siatkowej można regulować i kontrolować własności poszczególnych
"atomów" (rozmiary kropek i liczbę znajdujących się w nich elektronów), a także własności całego
"kryształu" regulując odległości między "atomami" (wysokość i szerokość bariery pomiędzy
kropkami).

Nasuwa się jeszcze jeden wniosek. Podobnie jak pojedyncza kropka kwantowa posiada poziomy
energetyczne będące odpowiednikiem poziomów atomowych, tak sieć kropek kwantowych musi
mieć energetyczną strukturę pasmową podobną do struktury pasmowej kryształu
półprzewodnikowego. Sieć kropek kwantowych może być idealnym systemem do testowania wielu
podręcznikowych problemów mechaniki kwantowej. Konstrukcja sztucznego kryształu w
rzeczywistości i sprawdzenie powyższych przewidywań jest jeszcze jednak sprawą przyszłości. Z
przedstawionych rozważań widać jednak, że sieci kropek kwantowych dając możliliwość
manipulowania materią w skali sztucznych atomów mogą pozwolić na konstrukcję urządzenia
elektronicznego i optycznego o dowolnie założonych parametrach i funkcjach. Toteż wyrażane są
opinie, że struktury sieci kropek kwantowych mogą okazać się najbardziej decydujące o przyszłości
półprzewodników.

Opracował Piotr Trocha

student II roku fizyki UAM

Odkrycia

Page 7 of 7

Fascynujący świat drutów i kropek kwantowych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html