Co je kvantová studna?

Kvantová studna se používá k omezení elektronů na specifických hladinách energie. Kvantové studny se skládají z extrémně tenkého polovodiče s malou mezerou v pásmu, spočívajícím mezi materiálem s větší mezerou v pásmu. Jsou extrémně malé, obvykle mezi 1 a 20 nanometry. Nejčastěji se používají v laserových diodách a infračerveném zobrazování.

To dobře využívá vlastnosti chování elektronů a mezer v pásmu. Mezery v pásmu jsou oblasti v orbitále elektronů mezi zemským stavem, kde elektrony normálně spočívají, a vodivé pásmo, elektrony s vyšší energií, se pohybují, když jsou vzrušeny. Mezery jsou bariéry mezi pásmy pozemního stavu a vodivými pásy, které zabraňují elektronům dosáhnout vodivého pásma, aniž by získaly více energie, než mají ve svých pozemních stavech. Čím větší je mezera v pásmu, tím více energie je nutné, aby elektrony tuto mezeru skočily a dosáhly vodivého pásma.

Jakmile elektron dosáhne vodivého pásma, uvolní přebytečnou energii a spadne zpět do svého základního stavu. Umístěním mikroskopicky tenkého polovodiče mezi materiál s pásmovými mezerami příliš širokými, aby elektrony snadno skočily, mohou vědci donutit elektrony, aby zůstaly v dvourozměrné oblasti tenkého polovodiče. Zachytávání elektronů tímto způsobem umožňuje zvláštní manipulaci s energií.

Protože se elektrony mohou pohybovat pouze ve dvou směrech, mohou produkovat pouze energii, kterou si vědec nebo výrobce přeje. Tato energie je také zaměřena na extrémně úzký proud. Kvůli tomuto zaměření vytvářejí kvantové studny přesné lasery pro optická zařízení. Známý příklad kvantové jamky je v čtecích laserech v přehrávačích kompaktních disků (CD).

Kvantové studny jsou pojmenovány jako „studny“ nejen kvůli svému chování zachycujících elektronů jako studna, která zachycuje vodu, ale také kvůli jejich vzhledu při grafu. Když jsou kvantové studny zobrazeny na grafech energie vs. pozice, vypadají jako hluboká údolí nebo studny, často v pravoúhlém tvaru. Kvantová studna je druh potenciální studny, což znamená, že existuje potenciál pro minimální, fixní množství energie, která má být vyrobena.

Kvantová studna, spíše než vytvořená, je obvykle vyrobena z materiálu jako arzenid gallia obklopený arzenidem hliníku. Studny jsou pěstovány nejčastěji pomocí procesu nazývaného epitaxie molekulárního paprsku, který využívá efuzní buňky ke střelbě molekul látky na základní látku. Tato metoda vytváří jednu atomovou vrstvu materiálu vrtu při každém odpálení buňky.