popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 202961, nr raportu: 13879. Kierownik (z rap.): dr inż. Wojciech Julian Pasek
W materiałach półprzewodnikowych elektrony znajdują się typowo w stanach związanych z poszczególnymi atomami
tych materiałów. Na skutek wzbudzenia termicznego bądź absorpcji fotonów elektrony z pasma walencyjnego – o takim
atomowym charakterze – mogą zostać wzbudzone do pasma przewodnictwa, które ma charakter zdelokalizowany, to
znaczy takie elektrony mogą poruszać się w całej objętości półprzewodnika. Towarzyszy temu pozostawienie „pustego
miejsca” w paśmie walencyjnym, które może być w określonych warunkach traktowane jako osobna kwazicząstka zwana
dziurą elektronową. Nasz projekt dotyczył nanostruktur zwanych kropkami kwantowymi. Są to obiekty, które są zdolne
do związania w bardzo małej przestrzeni trójwymiarowej (rozmiar liniowy rzędu nanometrów) elementarnych nośników
ładunku, to znaczy elektronów i/lub dziur elektronowych. Kropki kwantowe, których dotyczył projekt wykonane są w
materiałach półprzewodnikowych w ten sposób, że pewien rodzaj materiału jest otaczany innym jego rodzajem. Jeśli
dobierze się odpowiednio materiał kropki i otaczającego materiału półprzewodnika objętościowego, wtedy dziury
elektronowe będą „preferowały” przebywanie wewnątrz objętości kropki w stosunku do bycia na zewnątrz niej, co
powoduje, że układy takie mają całkowicie kwantowe właściwości (m. in. dyskretne widmo stanów energetycznych).
Kropki kwantowe funkcjonują zatem jako swego rodzaju „pułapki” na dziury.
W kryształach objętościowych materiałów, które braliśmy pod uwagę, pasmo walencyjne ma dosyć skomplikowaną
budowę. Niemniej jednak w przypadku zdecydowanej większości prac badawczych przyjmowano dla niego bardzo
uproszczony model, zwany modelem ciężkiej dziury. Jednakże, jak zostało wcześniej zademonstrowane, zastosowanie
bardziej rozbudowanego modelu, uwzględniającego mieszanie się różnych rodzajów pasm walencyjnych prowadzi do
otrzymania unikalnych właściwości, jak na przykład tak zwanego niewiążącego charakteru stanu podstawowego dziury w
układzie kropek podwójnych. W naszym projekcie uwzględniliśmy ten właśnie bardziej rozbudowany model. Oprócz tego
na uwagę w naszej pracy zasługuje szczegółowe uwzględnienie oddziaływania między dziurami, które jest z jednej strony
wyjątkowo trudne obliczeniowo, a z drugiej decydujące o zachowaniu się układów kilkucząstkowych.
Przeprowadziliśmy symulacje numeryczne układów o wielu charakterystykach. Rozważaliśmy kropki kwantowe o
kształcie płaskiego dysku: od wiążących dziury w bardzo niewielkiej objętości, do dwunastokrotnie większych.
Zbadaliśmy właściwości takich nanostruktur w ramach wiązania w nich kolejnych dziur, do sześciu. Wskazujemy na różniące układy dziurowe od analogicznych układów elektronowych - złamanie tak zwanej zasady Aufbau, które wynika
ze znacznie silniejszego efektywnego oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy cząstkami.
W układzie kropek podwójnych, w których związane zostały dwie dziury, zbadaliśmy zależność różnicy energii stanów o
różnym względnym ułożeniu spinów dziur (tzw. stanów singletowego i trypletowego) od odległości pomiędzy tymi
kropkami oraz przy sterowaniu takim układem za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego „przesuwającego” dziury
pomiędzy obiema kropkami. Zbadaliśmy genezę nietypowego zjawiska zrównywania się energii singletu i trypletu, i
stwierdziliśmy, że pochodzi ona bezpośrednio od, wspomnianego powyżej, niewiążącego charakteru stanu podstawowego
pojedynczej dziury w takim układzie. Okazało się, że ta degeneracja (równość energii) wykazuje się dosyć znaczną
odpornością na zaburzenie symetrii układu kropek zewnętrznym polem elektrycznym. Zbadaliśmy korelację pomiędzy
lokalizacjami dwóch dziur w takim układzie. Stwierdziliśmy, że w warunkach zbliżonych do stanu wspomnianej
wcześniej degeneracji prawdopodobieństwo odnalezienia dziur w różnych kropkach znacznie się zwiększa.
Zbadaliśmy możliwość sterowania stanem pojedynczej dziury za pomocą oscylującego pola elektrycznego przyłożonego
w obszarze kropki. Ustaliliśmy reguły wyboru, czyli zasady opisujące dozwolone przejścia między stanami dziury, które
wiążą układ chiralności (układy spinów poszczególnych pasm walencyjnych) stanów początkowego i końcowego w
danym przejściu z odpowiednią częstotliwością oscylacji pola wymuszającego. Przebadaliśmy dwa skrajne przypadki:
spłaszczonej kropki o kształcie dysku oraz kropki podłużnej. W drugim z nich otrzymaliśmy bogate widmo przejść,
zawierające tak zwane przejścia ułamkowe; natomiast w pierwszym z nich napotkaliśmy możliwość sterowanego
„przerzucenia” stanu dziury do takiego o zupełnie różnym charakterze obsadzenia (tj. „zajęcia”) poszczególnych pasm
walencyjnych.
Ponadto dokonaliśmy symulacji eksperymentu spektroskopii fotoluminescencji dla trionu dodatniego (kompleksu
składającego się z dwóch dziur i jednego elektronu) w układzie kropek podwójnych. Polega on na oświetlaniu układu
światłem lasera i pomiarze energii i intensywności światła z powrotem przez układ emitowanego. Odnaleźliśmy w
uzyskanym widmie energii w funkcji zewnętrznego pola elektrycznego ślady jednocząstkowego zjawiska niewiążącego
charakteru stanu podstawowego dziury.