Co to jest studnia kwantowa?

Studnia kwantowa służy do ograniczania elektronów przy określonych poziomach energii. Studnie kwantowe składają się z niezwykle cienkiego półprzewodnika o małej szczelinie pasmowej, spoczywającej między materiałem o większej szczelinie pasmowej. Są bardzo małe, zwykle od 1 do 20 nanometrów. Najczęściej stosuje się je w diodach laserowych i obrazowaniu w podczerwieni.

To dobrze wykorzystuje do działania właściwości zachowania elektronów i przerwy w paśmie. Przerwy pasmowe to obszary na orbicie elektronu między stanem podstawowym, gdzie elektrony spoczywają normalnie, a pasmo przewodzące, na które elektrony o wyższych energiach poruszają się, gdy są wzbudzone. Luki są barierami między pasmami stanu podstawowego a pasmami przewodzenia, które uniemożliwiają elektronom dotarcie do pasma przewodzenia bez pozyskiwania większej ilości energii niż w stanach podstawowych. Im większa przerwa w paśmie, tym więcej energii potrzeba elektronom do przeskoczenia tej przerwy i osiągnięcia pasma przewodzenia.

Gdy elektron osiągnie pasmo przewodzące, uwalnia nadmiar energii i wraca do stanu podstawowego. Umieszczając mikroskopijnie cienki półprzewodnik między materiałem o zbyt szerokich odstępach pasm, aby elektrony łatwo przeskakiwały, naukowcy mogą zmusić elektrony do pozostania w dwuwymiarowym obszarze cienkiego półprzewodnika. Wychwytywanie elektronów w ten sposób pozwala na specyficzną manipulację energią.

Ponieważ elektrony mogą poruszać się tylko w dwóch kierunkach, mogą wytwarzać tylko taki rodzaj energii, jakiego pragnie naukowiec lub producent. Energia ta koncentruje się również w niezwykle wąskim strumieniu. Ze względu na to skupienie studnie kwantowe tworzą dokładne lasery do urządzeń optycznych. Dobrze znanym przykładem studni kwantowej są lasery odczytowe w odtwarzaczach płyt kompaktowych (CD).

Studnie kwantowe nazywane są „studzienkami” nie tylko ze względu na ich zachowanie chwytania elektronów, jak studnia zatrzymywałaby wodę, ale także ze względu na ich wygląd po wykreśleniu. Kiedy studnie kwantowe są przedstawiane na wykresach energii w funkcji położenia, wyglądają jak głębokie doliny lub studnie, często w kształcie prostokąta. Studnia kwantowa jest rodzajem studni potencjalnej, co oznacza, że ​​istnieje potencjał do wytworzenia minimalnej, stałej ilości energii.

Uprawiana, a nie tworzona studnia kwantowa jest zwykle wykonana z materiału takiego jak arsen galu, otoczony arsenkiem glinu. Studzienki hoduje się najczęściej w procesie zwanym epitaksją z wiązki molekularnej, która wykorzystuje komórkę efuzyjną do wystrzeliwania cząsteczek substancji do substancji podstawowej. Ta metoda tworzy pojedynczą warstwę atomową materiału studzienki przy każdym odpaleniu komórki.