נקודות קוונטיות במוליכים למחצה - חלק ראשון

מוליכים למחצה מתאפיינים בכך שבטמפרטורות נמוכות האלקטרונים בהם ממלאים את תחום מצבי האנרגיות המכונה "פס הערכיות". כאשר הפס מלא הם אינם יכולים לנוע בחופשיות, ולכן החומר אינו מוליך חשמל. אם נעניק לחומר אנרגיה, חלק מהאלקטרונים יעברו לתחום המכונה "פס ההולכה", ומכיוון שפס זה איננו מלא הם יוכלו לנוע והחומר יהפוך למוליך חשמלי.

האלקטרונים שעולים לפס ההולכה מותירים מאחוריהם "חורים", אליהם ניתן להתייחס כאל חלקיקים בפני עצמם, בעלי מטען חשמלי הפוך מזה של האלקטרונים. לפיכך, פס ההולכה יהיה מאוכלס במספר קטן יחסית של אלקטרונים ופס הערכיות יהיה מאוכלס בחורים מעטים. הן האלקטרונים והן החורים חופשיים לנוע, ותורמים להולכה בחומר.

על מנת ליצור נקודה קוונטית, יוצרים בתוך המוליך-למחצה גוש קטן של חומר אחר, גם הוא מוליך למחצה, המאופיין בפוטנציאל חשמלי נמוך משל סביבתו. לדוגמה, בתוך סביבה של גליום-ארסניד, ניתן ליצור אזור קטן של אינדיום-ארסניד. מדובר בתחום שגודלו כמה עשרות עד מאות אנגסטרם. האלקטרונים נעים בפס ההולכה, ובהגיעם לנקודה הקוונטית הם "נופלים" לבור הפוטנציאל ונשארים לכודים בו, ממש כפי שכדור מתגלגל לתוך בור שבו הפוטנציאל הכבידתי נמוך יותר מזה של פני הקרקע שסביבו.

דבר דומה קורה לחורים הנעים בפס הערכיות. לפיכך, הנקודה הקוונטית לוכדת בתוכה אלקטרונים וחורים, אשר נשארים כלואים בתחום מרחבי קטן יחסית. מספר החורים והאלקטרונים בהם ניתן למלא את הנקודה תלוי ב"עומק" בור הפוטנציאל ובממדיו. במקרה הנוכחי, מדובר בחלקיקים בודדים.

האלקטרון והחור הם בעלי מטען חשמלי הפוך, ולפיכך קיימת משיכה חשמלית הקושרת ביניהם. זוג כזה של חור ואלקטרון מכונה בשם "אֶקְסיטון" (מהמלה excitement, עירור). זהו מצב מעורר של החומר. האלקטרון עשוי לחזור לפס הערכיות, וכך לגרום לאקסיטון להיעלם, תהליך המכונה רקומבינציה (recombination), ומלווה בפליטת אנרגיית העירור. חלק מהמוליכים למחצה, המכונים מוליכים למחצה ישירים (והם הרלוונטיים לניסוי זה), פולטים את האנרגיה כקרינה אלקטרומגנטית. לפיכך, רקומבינציה של האקסיטון מלווה בשחרור פוטון, אשר האנרגיה שלו שווה לזו שהיתה לאקסיטון.

רמות אנרגיות מקוּוְנַטות

 האלקטרונים והחורים הכלואים בנקודה הקוונטית יכולים לקבל רק ערכים מסוימים של אנרגיה; הם בעלי אנרגיות בדידות, בדומה לאלקטרונים באטום, הנמצאים ברמות אנרגיות מקוּוְנַטות (quantized) בכל רמת אנרגיה בדידה יכולים להימצא לכל היותר שני אלקטרונים, בעלי ספינים הפוכים. מגבלה זו נובעת מעקרון האיסור של פאולי. מאחר שרמות האנרגיה בדידות, רקומבינציה של האקסיטונים הכלואים בנקודה הקוונטית תוביל לפליטת ספקטרום של אור בעל אנרגיות בדידות אופייניות. הספקטרום האופייני של הנקודה הקוונטית מזכיר במידת-מה את הספקטרום האופייני שפולטים אטומים בעת שהאלקטרונים שלהם עוברים בין רמות אנרגיה.

ספקטרום האור הנפלט נקבע לפי גודלה של הנקודה הקוונטית, צורתה, טמפרטורת הסביבה והשדות החשמליים והמגנטיים בהם היא נמצאת. הספקטרום מושפע במידה רבה מאוד מהאינטראקציה בין החלקיקים הכלואים בנקודה הקוונטית: אם הנקודה מאוכלסת בזוג יחיד (אקסיטון יחיד), תהליך הרקומבינציה יוביל לפליטת פוטון בעל אנרגיה מוגדרת, הנקבעת לפי אנרגיית הזוג. אם, לעומת זאת, הנקודה הקוונטית מאוכלסת בזוגות נוספים, לעצם נוכחותם תהיה השפעה על אנרגיית הזוג העובר רקומבינציה, כך שאנרגיית הפוטון הנפלט תהיה אחרת, ותלויה הן ברמת האנרגיה המקורית של הזוג עצמו והן בהשפעתם של הזוגות הסובבים.

לכל תהליך רקומבינציה אפשרי יהיה פוטון אופייני, כפי שלכל מעבר של האלקטרונים באטום יש אנרגיה אופיינית. אם נאכלס את הנקודה הקוונטית בזוגות רבים, ונעקוב אחר פליטת האור כפונקציה של הזמן בעוד הזוגות מבצעים רקומבינציה, נגלה קווים ספקטרליים אופייניים המשתנים עם הזמן: בהתחלה יופיעו קווים המאפיינים רקומבינציה של אקסיטונים מרמות גבוהות בנוכחות אקסיטונים אחרים, והקווים ילכו וישתנו עד שלבסוף ייוותר הקו המאפיין רקומבינציה של אקסיטון יחיד מרמת האנרגיה הנמוכה ביותר.

להכריח את האלקטרונים

את הנקודה הקוונטית ניתן לאכלס בדרכים שונות. ניתן לחבר את המערכת למקור מתח ולאלץ את האלקטרונים לזרום אל תוך הנקודה הקוונטית. ניתן גם להעניק להם אנרגיה באמצעות לייזר. במקרה זה, האנרגיה יכולה להינתן בפולסים קצרים או בקרינה רציפה. במצב שיווי משקל, הנקודה הקוונטית מתרוקנת בקצב הנקבע לפי תהליכי הרקומבינציה, ומתמלאת מחדש בקצב, הניתן לוויסות באמצעות שליטה על המקור החיצוני המעורר את המערכת.

קצב עירור גבוה יוביל לאכלוס ממוצע גבוה של הנקודה. לעומת זאת, קצב עירור נמוך יוליך לאכלוס חלקי. אם ידועים תנאי ההתחלה (לדוגמה, ברגע מסוים ידוע כי הנקודה הקוונטית ריקה לחלוטין), וידועים קצב העירור וקצב הרקומבינציה, ניתן לחזות את האכלוס הממוצע של המערכת בזמן עתידי כלשהו. החוקרים מהטכניון היו הראשונים שהצליחו למדוד את התנהגות המערכת כפונקציה של הזמן ולפתור בצורה מדויקת את המשוואות המתארות התנהגות זאת.

העבודה התיאורטית כרוכה בחישוב הפרמטרים של הנקודה הקוונטית, לדוגמה, אכלוס ממוצע. אלה הם חישובים בעלי סיבוכיות גבוהה, מאחר שיש צורך לקחת בחשבון את האינטראקציה בין כל החלקיקים המאכלסים את הנקודה הקוונטית ברגע נתון. ככל שעולה מספר החלקיקים ומספר רמות האנרגיה האפשריות, כן גדלה מורכבות החישוב.

איילון פועם מבצע עבודה תיאורטית בתוך קבוצה שרובה עוסקת בניסוי. הוא ממשיך את עבודתו של ד"ר דני רגלמן, סטודנט לשעבר בקבוצה אשר סיים את עבודת הדוקטורט, בכתיבת תוכנה שתטפל במערכת מבחינה תיאורטית: "התוכנה הזו מחשבת את האנרגיות ואת העוצמות של האור הנפלט מהמעברים האופטיים, וגם את קיטוב האור, שזה החלק שאני הוספתי לתוכנה. התוכנות אמורות לסייע בהבנת הניסוי. מקבלים הרבה מאוד מידע מהניסוי, והתוכנה יכולה לעזור לסדר את המידע, לתת מגמות כלליות שאותן מנסים לזהות בנתונים. זה מאפשר לנו לדעת האם מה שרואים מתאים באופן כלשהו לתיאוריה".

העבודה במעבדה מאתגרת מאוד ומלווה בקשיים. דוגמה לכך היא היעילות הנמוכה של גילוי הפוטונים. הפוטון הנפלט מהנקודה הקוונטית יוצא מחומר שמקדם השבירה שלו גבוה יחסית, אל האוויר, שמקדם השבירה שלו נמוך. אם הפוטון נע בטווח זוויות מסוים (הזווית נמדדת ביחס למשטח המפריד בין החומר לאוויר), הוא ייפלט לאוויר ללא קושי.

לעומת זאת, אם זווית הפגיעה היא מעֵבר לזווית מסוימת – הזווית הקריטית, תתרחש החזרה פנימית מלאה; הפוטון יוחזר לתוך החומר, ולכן לא ייקלט על ידי הגלאי. הפרש זה של מקדמי השבירה גורם לאובדן של כ-98% מהפוטונים. על מנת להתגבר על קושי זה נמצאות הנקודות בין שתי מראות מיוחדות הנוצרות על ידי מערך של שכבות דקות, אשר עוביין ומקדם השבירה שלהן תוכננו כך שהם מאפשרות לפוטונים בתחום אורכי גל מסוימים לצאת לאוויר בניצב לשכבות. מערכת כזו מכונה מהוד אופטי. כך מושגת יעילות גבוהה יותר בקליטת הפוטונים שעבורם תוכנן המהוד.