Optical Studies of Single Quantum Dots

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish En halvledare är en kristall vars egenskaper till stor del bestäms av dess bandgap, som i någon mening kan ses som lägesenergin hos fria elektroner i kristallen. En kvantprick är en liten volym halvledarmaterial som är inbäddad i ett annat material med större bandgap. Det gör att volymen attraherar laddning eftersom elektroner (precis som allt annat) helst minimerar sin lägesenergi. Om volymen med litet bandgap är tillräckligt liten får man en kvantprick och då kan det bli riktigt spännande. Det är elektronens våglängd i kristallen (de Broglie-våglängden) som avgör vad som är tillräckligt litet. För de flesta intressanta material innebär det att storleken bör vara 10 nm (0.000 000 01 m) eller mindre. (Som en jämförelse kan nämnas att ett hårstrå är ca 50 mikrometer i diameter, d.v.s. 5 000 gånger större.) Eftersom kvantprickens volym är så liten upplever en elektron i den sin värld på samma sätt som en elektron attraherad av en atomkärna, d.v.s. den kan då bara ha välbestämda energier. Precis som längden på en orgelpipa bestämmer frekvensen på det ljud som skapas bestämmer storleken och formen på kvantpricken de energier som är tillåtna. När en elektron i en exciterad atom hoppar från en högre energinivå till en lägre, skickar atomen ut ljus, en s.k. foton. Denna foton har energi (och våglängd) som är bestämd av skillnaden mellan elektronens energi före och efter hoppet. Eftersom varje atom har sina bestämda energinivåer kommer ljusutsändningen att kunna ses som ett fingeravtryck av atomen. Detsamma gäller för kvantpricken. En skillnad är dock att varje kvantprick är unik och därför har unika energinivåer. Det innebär att man måste studera dem individuellt för att undvika att den intressanta informationen göms i ett suddigt medelvärde. På grund av likheterna med atomer, kallas kvantprickar ofta för artificiella atomer. Det ligger i ljusets natur att det är svårt att skapa fotoner en och en. Exempelvis kommer ljuset från en glödlampa eller från solen klumpvis. Om man däremot tittar på ljus från en enda atom med utvald energi kommer detta ljus med en foton åt gången. Eftersom ljus med en bestämd energi kommer från en bestämd elektronövergång kan atomen inte skicka en andra foton innan atomen har exciterats. Elektronen måste hoppa upp till den övre energinivån innan den kan hoppa ner vilket tar lite tid. Det trevliga med en enfotonkälla är att man kan använda enfotonpulser för att skicka information på ett sätt som direkt avslöjar om någon försöker avlyssna kommunikationen. Det kallas för kvantkryptering och utförs idag med enormt svaga laserpulser. För att kommunikationen ska vara helt säker krävs att det aldrig skickas två eller flera fotoner i en ljuspuls. Detta krav går aldrig att ställa på en laserpuls, oavsett hur svag den är. Det är heller inte praktiskt möjligt att använda enstaka atomer eftersom det kräver oerhört komplicerad utrustning. Kvantprickar är dock utmärkta att använda för enfotongenerering. Genom att excitera en kvantprick med en ström av laserpulser kan man få ut en ström av ljuspulser där varje puls består av precis en foton. I denna avhandling har enskilda kvantprickar studerats med optiska metoder. Genom att analysera energi- och tidsinformation i ljus utsänt av en kvantprick har detaljer i kvantprickars energistruktur samt möjligheterna att använda kvantprickar som enfotonkällor studerats.