La luminescenza dei punti quantici non stressati

Studio dettagliato delle proprietà ottiche dei punti quantici GaAs / AlGaAs utilizzando la microfotoluminescenza e la spettroscopia di riflessione

I punti quantici GaAs / AlGaAs creati dall'epitassia delle goccioline che riempiono i nanobuchi sono promettenti per applicazioni nella fotonica dell'informazione a causa del basso stress meccanico in queste eterostrutture reticolari.

I fisici dell'Università di San Pietroburgo hanno studiato le proprietà ottiche dei punti quantici, per la scoperta della quale il professor Alexey Ekimov, laureato all'Università, ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2023. Gli scienziati hanno studiato i punti quantici dei semiconduttori cresciuti mediante epitassia a fascio molecolare all'Università di San Pietroburgo. Questi punti sono unici in quanto non presentano stress meccanico, il che li rende promettenti per l'uso in nuovi dispositivi optoelettronici. Un articolo pubblicato su Physical Review B (1) spiega come i ricercatori dell'Università di San Pietroburgo sono riusciti a isolare la radiazione dai singoli punti e a spiegare le peculiarità della loro composizione spettrale.

I punti quantici dell'arseniuro di gallio sono utilizzati in dispositivi optoelettronici come fotorilevatori, laser ed elementi di computer ottici. Uno dei problemi con tali punti è lo stress meccanico causato dalle differenze nei reticoli cristallini dei materiali utilizzati. Nel loro lavoro, i ricercatori del Laboratorio di fotonica dei cristalli dell’Università di San Pietroburgo hanno utilizzato un nuovo approccio per far crescere i punti quantici.

L'epitassia a goccia è stata utilizzata per creare nanofori sulla superficie di un substrato di arseniuro di gallio, che sono stati poi riempiti con il materiale puntinato. Tali campioni sono stati prodotti in un impianto di epitassia a fasci molecolari presso il Centro risorse di nanofotonica del Parco di ricerca dell'Università di San Pietroburgo (2). Gli strati di punti quantici risultanti presentano uno stress meccanico minimo perché vengono utilizzati una coppia di materiali con reticoli cristallini vicini, GaAs e AlGaAs. L'assenza di stress rende possibile la creazione di dispositivi logici ottici basati su tali punti quantici, che utilizzano nuclei di spin di lunga durata per l'elaborazione delle informazioni.

I fisici dell'Università di San Pietroburgo hanno condotto uno studio dettagliato delle proprietà ottiche dei punti quantici GaAs / AlGaAs utilizzando metodi di microfotoluminescenza e spettroscopia di riflessione. La dottoressa Ekaterina Deribina è ricercatrice di laboratorio presso il Laboratorio di Crystal Photonics dell'Università di San Pietroburgo. Secondo lei, l'esposizione alla luce nei punti quantici crea quasi-particelle – eccitoni, che sono “atomi artificiali” di elettroni e lacune nel semiconduttore. Quando gli eccitoni si ricombinano, il punto quantico emette luce, cioè luminescenza.

Il “colore” della luminescenza infrarossa di un punto quantico dipende dalla sua forma e dimensione. Studiando tali campioni, altri gruppi di ricerca hanno riscontrato la presenza di diversi “colori” in un campione, ma non è stata trovata alcuna spiegazione per questo fenomeno. Gli scienziati dell'Università di San Pietroburgo sono riusciti a isolare l'emissione di singoli punti quantici utilizzando la microscopia.

La dottoressa Ekaterina Deribina (3) ha spiegato che la statistica di centinaia di punti quantici ha permesso di analizzare la correlazione spaziale della luminescenza e di trovarne una spiegazione. Ella dice: «Abbiamo analizzato i punti quantici distribuiti sulla superficie del campione e abbiamo scoperto che diversi “colori” della luminescenza corrispondono a diverse regioni di quantizzazione del movimento degli eccitoni. La geometria del punto quantico si è rivelata più complicata di quanto si pensasse in precedenza. Oltre alla regione centrale principale, ci sono due regioni più piccole in ciascun punto quantico che limitano anche il movimento degli eccitoni su scala nanometrica. L'esatta geometria della parte interna dei punti quantici deve ancora essere determinata, ma possiamo già controllarla scegliendo i parametri di crescita».

Riferimenti:

(1) Spatially-resolved emission of GaAs/AlGaAs quantum dots grown by nanohole-filled droplet epitaxy

(2) Research Park

(3) Ekaterina Deribina
Descrizione foto: Immagini al microscopio a forza atomica di punti quantici non stressati. - Credit: St Petersburg University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists from St Petersburg University explain the peculiarities of the luminescence of unstressed quantum dots