Strona głównaPytania → Czy w wyniku tunelowania elektron...

Czy w wyniku tunelowania elektron może uciec z kropki kwantowej?

Pytanie

Pyta Franciszek

Moje pytanie dotyczy kropki kwantowej. Załóżmy, że mamy kropkę kwantową tworzoną przez elektron „uwięziony” przy użyciu barier potencjału. Czy może zaistnieć zjawisko polegające na ucieczce tego elektronu z kropki kwantowej dzięki efektowi tunelowemu? Jeśli tak, to z jaką częstotliwością możemy obserwować takie zjawisko i czy zależy ono od parametrów naszej bariery?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Jan Suffczyński

Na początek, dla porządku, krótkie zdefiniowanie pojęć, które pojawiają się w pytaniu. Kropka kwantowa to obszar o rozmiarach rzędu nanometrów, który ogranicza ruch elektronu we wszystkich trzech wymiarach przestrzeni. Owe ograniczenie ruchu wynika z obecności barier potencjału, wytworzonych np. elektrostatycznie lub poprzez dobór materiałów półprzewodnikowych tworzących kropkę i otaczającą ją barierę.

Tunelowanie kwantowe (efekt tunelowy) z kolei to zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału, której wysokość jest większa niż energia cząstki. Zjawisko to jest nie do pomyślenia w świecie obiektów makroskopowych – w fizyce klasycznej odpowiednikiem tunelowania byłoby przejście piłki przez ścianę. Tunelowanie ma podstawowe znaczenie dla takich efektów jak np. fuzja jądrowa w gwiazdach (w tym w naszym Słońcu), czy też dla działania nośników pamięci typu FLASH.

Odpowiadając na pytanie: elektron związany w kropce kwantowej może z niej uciec w wyniku efektu tunelowego. Prawdopodobieństwo tunelowania będzie tym większe, im jego energia będzie bliższa energii bariery i im węższa przestrzennie będzie bariera. W przypadku półprzewodnikowych kropek kwantowych, aby tunelowanie było wydajne bariera nie powinna być grubsza niż kilka-kilkanaście nanometrów. Znaczenie ma także rozmiar kropki kwantowej – im mniejsza jest kropka, tym wydajność tunelowania będzie większa, gdyż elektron średnio rzecz biorąc będzie częściej przebywał w zabronionym dla niego obszarze bariery i częściej będzie miał szansę wydostać się poza nią.

W zasadzie nie ma dobrze określonej częstości, z jaką może zachodzić zjawisko ucieczki elektronu z kropki kwantowej w wyniku tunelowania. Wszystko zależy właśnie od energii elektronu, wysokości i szerokości barier potencjału i od rozmiarów kropki. Zwykle wytwarza się kropki kwantowe w taki sposób, aby jak najlepiej wiązały nośniki ładunku w swoim wnętrzu i nawet w małym stopniu nie pozwalały na ich ucieczkę poprzez tunelowanie. Można bezpiecznie przyjąć, że w przypadku półprzewodnikowych kropek kwantowych typowy czas tunelowania poza kropkę jest znacznie dłuższy niż dziesięć nanosekund, co oznacza, że maksymalna częstość z jaką można by obserwować kolejne akty tunelowania elektronu poza kropkę (oczywiście po ponownym jej naładowaniu) byłaby znacznie mniejsza niż $10^8$ Hz.