Forschung & Entwicklung

Licht-Materie-Wechselwirkung ohne Störeinflüsse

Quantenpunkte könnten die Basis für eine Quantenkommunikation darstellen. Bei der Herstellung der Quantenpunkte entstanden bislang auch Strukturen, die die Kommunikation stören. Diese Störeinflüsse konnten nun eliminiert werden.

Quantenpunkte lassen sich in Halbleitern realisieren, indem Forscher zum Beispiel ein Elektron und ein Elektronenloch in einem sehr begrenzten Bereich einsperren. Elektron und Loch bilden zusammen einen angeregten Zustand. Wenn sie rekombinieren, verschwindet der angeregte Zustand, und es wird ein Photon abgegeben. „Dieses Photon könnte als Informationsträger für eine Quantenkommunikation über lange Strecken taugen“, sagt Dr. Arne Ludwig vom Lehrstuhl für Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum.

Die in Bochum hergestellten Quantenpunkte entstehen in dem Halbleitermaterial Indiumarsenid. Dieses Material lassen die Forscher auf einem Träger aus Galliumarsenid aufwachsen. Dabei entsteht zunächst eine gleichförmige Schicht aus Indiumarsenid, die nur anderthalb Atomlagen dick ist – die sogenannte Benetzungsschicht. Auf dieser Schicht erzeugen die Forscher anschließend Erhebungen: kleine Inseln von 30 Nanometern Durchmesser und nur wenigen Nanometern Höhe. Sie bilden die Quantenpunkte.

Problematisch ist die Benetzungsschicht, die im ersten Schritt aufgetragen werden muss. Denn auch darin gibt es angeregte Elektron-Loch-Zustände, die zerfallen und Photonen abgeben können. In der Benetzungsschicht zerfallen diese Zustände sogar noch leichter als in den Quantenpunkten. Die dabei ausgesendeten Photonen können jedoch nicht für Quantenkommunikation genutzt werden, sondern erzeugen nur ein Rauschen im System.

Da die Benetzungsschicht die gesamte Fläche des Halbleiterchips umfasst, die Quantenpunkte aber nur ein Tausendstel dieser Fläche, ist das störende Licht rund tausendmal stärker als das Licht aus den Quantenpunkten. Die Benetzungsschicht strahlt Photonen mit einer etwas höheren Frequenz und einer viel höheren Intensität ab als die Quantenpunkte.

„Bisher konnten wir die vorher genannten Störeinflüsse ignorieren, indem wir nur gezielt die benötigten Energiezustände angeregt haben“, sagt Matthias Löbl von der Universität Basel. „Wenn man die Quantenpunkte jedoch als Informationseinheiten für Quantenanwendungen nutzen will, so kann es ideal sein, diese mit mehr Elektronen zu beladen. Dann würden aber auch Energieniveaus in der Benetzungsschicht mit angeregt“, ergänzt Arne Ludwig.

Diesen Störeinfluss eliminierte das Forschungsteam nun durch eine zusätzliche Schicht aus Aluminiumarsenid, die die Wissenschaftler über den Quantenpunkten und der Benetzungsschicht wachsen ließen. Das eliminiert die Energiezustände in der Benetzungsschicht, was es wiederum unwahrscheinlicher macht, dass dort Elektronen und Löcher rekombinieren und Photonen aussenden.

Die Arbeiten wurden unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds. Weitere Förderung kam von der Europäischen Union durch das Horizon-2020-Programm, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. C. Löbl, S. Scholz, I. Söllner, J. Ritzmann, T. Denneulin, A. Kovács, B. E. Kardynał, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton, Excitons in InGaAs quantum dots without electron wetting layer states, Communications Physics (2019), DOI: 10.1038/s42005-019-0194-9]

www.ruhr-uni-bochum.de

www.fz-juelich.de

www.unibas.ch

Firmeninformationen
© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten