Слово "увидеть" ассоциируется у нас в первую очередь с глазами и светом. Глазами волновую функцию, конечно, увидеть нельзя, а вот увидеть ее "в оптике" в принципе можно, и именно этим занимались японские ученые, наблюдая экситоны в структурах с "квантовыми точками" с помощью ближнепольной оптической микроскопии..

Квантовая точка представляет собой специальным образом полученный наноразмерный объект, обладающий дискретным энергетическим спектром. Наиболее широко распространенным способом получения квантовых точек является спонтанное формирование наноразмерных островков-включений одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Из-за различия ширины запрещенных зон носители заряда оказываются локализованы в пределах островка, следствием чего и является квазиатомный (представляющий собой набор отдельных уровней) энергетический спектр.

Рис.1. Схема экспериментальной установки: слева схематическое изображение криостата с исследуемым образцом (измерения проводились при температуре 9 K), в который по оптоволокну заводилось излучение гелий-неонового лазера (справа вверху); справа внизу схематически показана схема полупроводниковой гетероструктуры с экситоном, локализованным в "квантовой точке", и зонд оптического ближнепольного микроскопа.

Квантовые точки получают с использованием различных полупроводниковых соединений и при различных условиях (размеры и состав наноостровков - квантовых точек - могут существенно отличаться даже при использовании одних и тех же полупроводниковых соединений, если различаются режимы роста), поэтому электроны могут быть локализованы в квантовых точках "весьма по-разному". "Увидеть" волновую фунцкию электрона в квантовой точке с хорошим пространственным разрешением можно с помощью сканирующей туннельной микроскопии (см., например, [1]). Правда, чтобы была возможность использовать туннельный микроскоп, квантовая точка должна располагаться на поверхности, а по форме, размерам и составу квантовая точка, находящаяся на поверхности, может отличаться от квантовой точки, находящейся "в глубине" полупроводниковой гетероструктуры. Но и для последнего случая оказывается возможным получить информацию о волновой функции электрона (приятно отметить, что приоритет здесь принадлежит российским ученым из ИПТМ РАН ). Однако туннельная спектроскопия слабо вяжется с бытовым значением слова "увидеть".

Гораздо ближе и роднее тот способ "увидеть" волновую функцию, который использовали японские ученые [2]. Естественно, им "пришлось выбрать" такие квазичастицы, которые способны испускать фотоны - экситоны. В объемных (обычных трехмерных) полупроводниках экситон - это водородоподобный "атом", возбуждение, представляющее собой связанное (за счет кулоновского взаимодействия) состояние электрона и дырки. Экситон нестабилен, т.е. имеет конечное время жизни, и при рекомбинации электрона и дырки испускается фотон, энергия которого в самом простом случае равна ширине запрещенной зоны за вычетом энергии связи экситона (которая примерно на три порядка меньше, чем энергия связи протона и электрона в атоме водорода). Однако, в отличие от объемных полупроводников, экситон в квантовой точке в принципе не может свободно перемещаться, так как электрон и дырка, его составляющие, изначально локализованы. Если бы у ученых была возможность фиксировать электромагнитное излучение, возникающие при рекомбинации электрона и дырки, с пространственным разрешением нанометрового уровня, они должны были бы увидеть, что интенсивность излучения в области квантовой точки распределена неравномерно, и распределение интенсивности излучения определялось бы волновой функцией экситона.

Способ получить разрешение порядка десятков нанометров, работая со светом видимого диапазона, существует - это оптическая ближнепольная микроскопия. По своей конструкции оптический ближнепольный микроскоп напоминает сканирующий туннельный микроскоп, только в качестве зонда используется заостренное оптоволокно, покрытое с боков металлической пленкой (рис.1, справа внизу). Диаметр выходного отверстия может быть много меньше длины волны, а сам зонд располагается в непосредственной близости от поверхности исследуемого образца, что обеспечивает локальное возбуждение образца, когда размер светового пятна на поверхности много меньше длины волны. В оптоволокно заводится лазерное излучение, а сигнал регистрируется через это же оптоволокно (как в описываемых ниже экспериментах) либо с помощью обычной оптики.

Рис.2. a, d, g - изображения пространственного распределения интенсивности экситонной фотолюминесценции для нескольких квантовых точек; b,e, h - изображения пространственного распределения интенсивности излучения биэкситона для тех же квантовых точек; c, f, i - спектры фотолюминесценции для тех же квантовых точек (X - линия излучения экситона; XX - линия излучения биэкситона). Цветовая шкала показывает интенсивность излучения (в фотоотсчетах в секунду).

Ближнепольный оптический микроскоп японских ученых имел разрешение порядка 30 нм, поэтому работать с обычными квантовыми точками, полученными в результате спонтанного формирования наноноостровков, было бы не очень удобно ввиду малости их размеров. Поэтому исследователи решили работать с несколько более крупными нанообъектами, которые тоже иногда называют квантовыми точками. Именно, они исследовали экситоны, локализованные на неровностях гетерограниц квантовой ямы - слоя одного полупроводника (GaAs в данном случае) нанометровой толщины (5 нм) в "обкладке" другого (-их), более широкозонного (-ых), полупроводника (-ков) (рис.1). Если бы квантовая яма обладала асболютным структурным совершенством, то электроны и дырки (и экситоны) могли бы свободно перемещаться в плоскости слоя, однако в реальности слой не абсолютно идеален - гетерограницы на самом деле "шероховаты". И, в частности, могут существовать участки с размером порядка сотни нанометров, где толщина слоя отличается от средней толщины ямы на один мономолекулярный слой (можно себе представить ситуацию так, что на поверхности идеального слоя существуют островки с толщиной один монослой - рис.1 справа внизу). В таких областях потенциальная яма для электронов (дырок) чуть больше, поэтому частицы оказываются локализованы в области таких островков и в плоскости слоя (квантовой ямы). Таким образом, тоже имеет место локализация частиц в трех измерениях, что формально дает повод употреблять слова "квантовые точки".

Используя относительно большие размеры таких "квантовых точек", японцы и смогли "увидеть" волновую функцию экситона (рис.2 - a, d, g). Поскольку оптическая ближнепольная микроскопия.позволяет анализировать спектр собираемого излучения, то исследователи имели возможность смотреть распределение интенсивности люминесценции при различных длинах волн. В частности, они регистрировали не только излучение экситона, но и более сложных составных частиц (биэкситона - связанного состояния двух экситонов). Можно напрямую увидеть (рис.2), что за счет взаимодействия двух электронно-дырочных пар биэкситон сильнее локализован в квантовой точке, чем экситон, как и следует ожидать.

1. Theopilos Maltezopoulos, Arne Bolz Christian Meyer et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 196804 (2003).

2. K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 177401 (2003).

Е.Онищенко