Quantenpunkte: Elektronen bleiben länger angeregt

Sind Elektronen in winzigen Strukturen im Nanometer-Bereich eingeschlossen, so zeigen sie einmalige Eigenschaften, die für neuartige Computer oder Halbleiter-Laser genutzt werden könnten.

TEM-Aufnahme eines Quantenpunkts
TEM-Aufnahme eines Quantenpunkts

Sheffield (UK)/Paris (Frankreich)/Dresden-Rossendorf - Die Fortschritte auf dem Gebiet der Photonik sind in letzter Zeit enorm. Dies zeigt die optische Datenspeicherung auf CDs und DVDs oder die Glasfaser-Technologie für das Internet. Viele technologische Anwendungen basieren darauf, dass Elektronen, die durch Anregung in einen höheren energetischen Zustand versetzt werden, lange dort verharren und nur langsam in ihren Ursprungszustand zurückkehren. Jeder Laser funktioniert so, und Halbleiter-Laser begegnen uns heute schon im Alltag auf Schritt und Tritt, z.B. an der Kasse im Supermarkt als Scanner. Für verbesserte Halbleiter-Laser, aber auch für zukünftige Technologien wie etwa die Quanteninformationsverarbeitung, ist dabei eine möglichst lange Lebensdauer von angeregten Elektronen wünschenswert.

Vor etwa 20 Jahren konnten Wissenschaftler erstmals sogenannte Quantenpunkte herstellen. Grundlage waren Halbleiter-Substrate beispielsweise aus Galliumarsenid, auf denen Quantenpunkte aus anderen Halbleitermaterialien wuchsen. Diese Quantenpunkte sehen aus wie winzige Pyramiden und bestehen typischerweise aus 1.000 bis etwa 10.000 Atomen. Die Ausdehnung der Nano-Pyramiden ist so gering, dass die Elektronen quantenmechanischen Regeln gehorchen und nicht mehr frei beweglich sind. So können die Elektronen in Quantenpunkten nur bestimmte Energieniveaus einnehmen. Die Elektronen treffen zudem in allen drei Richtungen auf Begrenzungen und verhalten sich deshalb wie eine Art künstliches Atom, das in Zukunft der Ausgangspunkt für revolutionäre (opto-)elektronische Bauelemente sein könnte.

Damals wurde vorhergesagt, dass Anregungszustände von Elektronen in den Quantenpunkten eine extrem lange Lebenszeit hätten, weil die Elektronen in dem dreidimensionalen Gefängnis kaum eine Möglichkeit finden würden, um Energie abzugeben. Viele Jahre versuchten Forscher sich daran, dieses Rätsel, das "Phonon-Flaschenhals" genannt wurde, zu entschlüsseln. Vor einigen Jahren konnten weitere Forschungsarbeiten Licht ins Dunkel bringen: Gerade wegen der starken Begrenzung der Elektronen in den Quantenpunkten kann eine in der Fachwelt bekannte Theorie nicht zur Anwendung kommen, die besagt, dass die Elektronen Energie verlieren aufgrund der Schwingungen im Kristallgitter (Phononen genannt). Anstatt Energie an das Gitter abzugeben, schließen sich die Elektronen in den Nano-Pyramiden eng mit den Phononen zusammen und bilden so genannten Polaronen.

Wissenschaftler von der Universität von Sheffield in Großbritannien, der Ecole Normale Supérieure in Paris und vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf nahmen diese Theorie ernst und erzeugten Quantenpunkte, die sie einem akkuraten Test über einen breiten Parameterbereich unterziehen wollten. Neben der Zusammensetzung der Quantenpunkte spielen für deren ungewöhnliche Eigenschaften auch Form und Größe eine entscheidende Rolle. Das internationale Forscherteam stellte Quantenpunkte her, deren Energieniveaus signifikant niedriger waren als die Energie der Hauptschwingungen im Kristallgitter. Nur so war es möglich, die Lebensdauern der angeregten Elektronen signifikant zu verlängern. Die Forscher beobachteten eine tausendfache Verlängerung der Lebensdauer, wenn der Energieabstand nur halbiert wurde. Sie stieg von mehreren Pikosekunden (ein Millionstel einer Millionstel Sekunde) in den Bereich von Nanosekunden (ein Tausendstel einer Millionstel Sekunde) und verlängerte sich somit um drei Größenordnungen. Diese langen Lebenszeiten könnten ganz neue Anwendungsbereiche erschließen, besonders für Terahertz-Laser auf Basis von Quantenpunkten. Der Grund: der Abstand der Energieniveaus liegt im Bereich von 10 bis 20 Millielektronenvolt (meV), was auch anders ausgedrückt werden kann als eine Frequenz von wenigen Terahertz.

Um die Lebenszeiten besonders akkurat messen zu können, nutzten die Forscher einen einmaligen Typ eines sehr kurz gepulsten Terahertz-Lasers, den so genannten Freie-Elektronen-Laser am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD). Dieser spezielle Laser erzeugt besonders intensive Lichtpulse und überstreicht einen weiten Wellenlängen-Bereich (ungefährliche Infrarot- und Terahertz-Strahlung).