[09.08.2016] 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, die mit Kollegen der Ruhr-Universität Bochum entstanden, wurden sie mit gleich zwei Veröffentlichungen in den Fachmagazinen „Physical Review Letters“ und „Nano Letters“ 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 Prozesse bisher nur elektrisch nachzuvollziehen, lassen sie sich nun tatsächlich beobachten: „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 Kurzmann schmunzelnd. „Sie setzen sich ja auch lieber in eine Bank, die noch nicht besetzt ist.“

In einem Nachfolgeexperiment brachte sie ein Ladungspaar in einen Quantenpunkt ein, in dem sich bereits ein Elektron befand. Auch hier leuchtete der Quantenpunkt. Manchmal jedoch wurde die Energie auf das einzelne Elektron übertragen, das daraufhin aus dem Quantenpunkt schoss – das Leuchten nahm in diesem Fall ab.

Diesen so genannten Auger-Effekt haben Kurzmann und Geller erstmals für bestimmte Halbleitermaterialien 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.

Originalpublikationen:
1. A. 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
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.017401
2. A. 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
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01082
http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b01082

Weitere Informationen:
Annika Kurzmann, Tel. 0203/379-2867, annika.kurzmann@uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, 0203/ 379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de

Bildhinweis:
Ein Foto zu dieser Pressemitteilung (Bildbeschreibung: Im Quantenpunkt (grauer Hügel) befindet sich ein Ladungspaar. Die Elektronen (blaue Punkte) tunneln aus dem darunter gelegenen Reservoir in den Quantenpunkt hinein oder verlassen ihn wieder. Die roten Pfeile stehen für Licht.) können Sie herunterladen unter:
"https://www.uni-due.de/imperia/md/images/bilder/pm_downloads/2016/quantenpunkte.jpg"