Dr. Takashi Kuroda ning Marco Abbarchi juhitud töögrupil koostöös Hokkaidō Ülikooliga õnnestus hoida kontrolli all pooljuht-kvanttäpi paarist osakesest koosnevad kvantolekut ning muuta selle seoseenergiat. Tänu selle uurimustöö tulemustele võib tulevikus olla võimalik valmistada mittelineaarseid pooljuhtseadmeid, mis võimaldavad stabiilset voolu tüürimist vähese energiakuluga.
Aatomjõu mikroskoobi abil saadud pil GaAs kvanttäppidest, mida selles uurimustöös kasutati.
Kui elektron ning prooton vaakumis üksteise lähedusse viia, tõmbuvad osakesed tänu Couloumbi jõule üksteise poole ning moodustavad vesiniku aatomi. Kui süsteemi asetada veel kolmaski elektron või prooton, lõpeb mitme-keha efekt ioonse vesiniku molekuli tekkimises, mis koonseb kokku kolmest osakesest.
Seesugune kvantolek eksisteerib ka tahketes kehades. Elektroni ning augu paar pooljuhis moodustab eksitoni, mis on analoogne vesiniku aatomiga. Kui lisada veel üks elektron või auk, tekib keeruline kolmest osakesest koosnev olek, nn. laetud eksiton. Erinevalt vesinikust vaakumis on pooljuhis võimalik elektrone ja auke kvanttäppides(st. erakordselt väikeses ruumipiirkonnas) kinni hoida ning seeläbi suurendada mitme-elektronilise oleku suuremat stabilisatsioonienergiat.
Antud uurimuses kasutati alumiinium-gallium-arseniidile pikitud gallium-arseniidist koosnevaid kvanttäppe ning tilk-epitaksia meetodit. Tänu kvanttäppide erilisele omadusele on kristallvõrestiku pikkus põhi- ja lisandainel täpselt sama.
Töö tulemusena saadi ennenägematult puhas kvantstruktuur. Teadlastel õnnestus laetud elektrone jälgida üksikute kvanttäppide footonkiirgust mõõtes. Kui laetud eksitonide stabilisatsioonienergiat võrreldi sama tüüpi materjali kvant-potentsiaaliaugu struktuuriga, mille kohta eelnevalt teati, et see on umbes 1 meV, leiti, et selle väärtus oli rohkem kui 10 korda suurenenud. Seesugune mitme-keha energia suurenemine on põhjustatud Couloumbi jõu suurenemisest mitme-osakese süsteemis, mille omakorda põhjustab elektronide pakkimine 3-dimensionaalsesse nanoruumi. See tulemus illustreerib esmakordselt mitme-elektronilise oleku nanoruumi piiramise efekti, mida varem kirjeldatud ei olnud. Seetõttu on sellel uurimusel teadusmaailmas erakordselt suur mõju.
Rakendustehnoloogia vaatepunktist: et elektronide seos on aluseks ka mitmesugustele mittelineaarsetel efektidel põhinevatele seadmetele, näiteks optilistele lülitusseadmetele ning laseritele, siis suutes nanostruktuuride abil kontrollida interaktsioonide intensiivsust, saaks tulevikus toota optilisi pooljuhtseadmeid, mis võimaldavad stabiilset voolu väikese energiatarbimisega.
Teadusartikkel “Energy renormalization of exciton complexes in GaAs quantum dots“