נקודות קוונטיות במוליכים למחצה - חלק שני

• לחלק הראשון של הכתבה - לחצו כאן .
  

תנאי הסביבה משפיעים על תכונות הנקודה הקוונטית. חלק מהחוקרים עוסקים בבדיקת השפעותיהם של שדות חשמליים ומגנטיים על רמות האנרגיה בנקודה, כפי שהן מתבטאות באור הנפלט בתהליכי רקומבינציה. סהר וילן: " שדה חשמלי חיצוני משפיע על מבנה הרמות ועל כל הדינמיקה של נושאי המטען בנקודה הקוונטית. אנחנו מפעילים מתח על הדגם, ומודדים את ספקטרום האור הנפלט בהשפעתו. בשדה חזק, קווי הספקטרום מוסחים לאדום כתוצאה מירידה בהפרשים שבין רמות האנרגיה של האקסיטונים. חלק מהקווים מופיעים או נעלמים במתחים שונים, ומייצגים תהליכי טעינה של הנקודה הקוונטית, בהם נוסף לה או נגרע ממנה אלקטרון אחד. המשמעות היא שעל ידי מודולציה חשמלית אפשר לשנות את האנרגיה של הפוטון הנפלט ואת קיטובו, וזה יכול להיות שימושי לתקשורת".

מדידת קורלציה (מתאם) היא אחד הכלים שבאמצעותם ניתן לבחון את התנהגות הנקודות הקוונטיות. את הפוטונים הנפלטים מהנקודה הקוונטית מפצלים באמצעות מראה חצי-מחזירה, כך שמחציתם מגיעים לגלאי אחד ומחציתם לאחר. הגלאים מסוגלים למדוד את זמן הגעתו של פוטון בודד ומאפשרים למדוד את הפרש הזמן שעבר בין הגעת פוטון לגלאי אחד להגעת פוטון לגלאי השני. לפני כל אחד מהגלאים מוצב מסנן המאפשר מעבר של פוטונים בעלי אורך גל וקיטוב מסוים בלבד. כך ניתן לבדוק את המתאם בין פוטונים הנפלטים מתהליכי רקומבינציה שונים, ואף בין פוטונים המתאימים לאותו תהליך.

לדוגמה, ניתן להסתכל רק על הפוטון הנפלט כאשר האקסיטון האחרון נעלם והנקודה מתרוקנת כליל. הפוטון ייקלט באחד הגלאים. למשך זמן קצר לאחר פליטת פוטון שכזה הנקודה תהיה ריקה, ולכן הסיכוי למצוא עוד פוטון כזה, בגלאי השני, יהיה נמוך מאוד. כעבור זמן מה, הנקבע לפי המקור החיצוני המעורר את הנקודה, ייווצר אקסיטון חדש ושוב תהיה הסתברות כלשהי לפליטת פוטון.

שיזור ואפקטים

המתאם עשוי להיות ביטוי למצב קוונטי מעניין הקרוי שיזור (entanglement). במצב של שיזור, החלקיקים השזורים (למשל, שני פוטונים) מתוארים מבחינה מתמטית על ידי פונקציית גל משותפת מסוימת. לא כל קורלציה מעידה על שיזור, ויש דרכים לזהות מִתאמים קוונטיים ולהבדילם ממתאמים קלאסיים. ישנם אלמנטים מתמטיים בפונקציית הגל אשר, ברוב המקרים, אינם משפיעים על גדלים פיזיקליים מדידים. עם זאת, במקרים מסוימים (שהידוע בהם הוא אפקט אהרונוב-בוהם) הם חדלים להיות ישויות מתמטיות גרידא, וניכרת השפעתם על גדלים מדידים.

זיהוי גדלים אלה מאפשר להבחין בין מִתאם קלאסי לבין שיזור. בקורלציה קלאסית, אנו מגלים כי אחד החלקיקים הוא בעל תכונה מסוימת, ולפיכך מסיקים כי החלקיק האחר הוא בעל התכונה המשלימה. בקורלציה שמקורה בשיזור קוונטי, פעולת המדידה עצמה גורמת לחלקיק הנמדד להיות בעל תכונה מסוימת, ולפיכך מאלצת את החלקיק האחר להיות בעל התכונה המשלימה. לא משנה כמה גדול המרחק בין החלקיקים, המידע הנובע מהמדידה תקף מיידית לגבי שניהם, באורח הסותר למראית-עין את המגבלה של תורת היחסות הפרטית, לפיה מידע אינו יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור.

השפעות-מרחוק כאלו (שכונו על ידי איינשטיין בכינוי המזלזל Spooky action at a distance), הופכות את השיזור לרעיון לא אינטואיטיבי, ומהיותו מושג מתמטי במהותו קשה לתת לו פרשנות קלה להבנה. מוזר ככל שיהיה, הוא עשוי להיות הבסיס ליישומים חדשים ומלהיבים, בין השאר של רעיון הטֶלֶפוֹרטַציה, אשר הפך זה כבר ממושג של מדע-בדיוני למושא של מחקרים רציניים.

אם בוחנים, למשל, נקודה קוונטית המאוכלסת בשני אקסיטונים, ניתן להתייחס לקשר בין שני הפוטונים הנוצרים מרקומבינציה של שני האקסיטונים. אלה יהיו פוטונים בעלי אנרגיה שונה, ויהיה ביניהם קשר ידוע - הם יהיו בעלי אנרגיות ידועות וסכום התנעים הזוויתיים שלהם יהיה קבוע. אולם מסתבר, כי זוהי קורלציה קלאסית, ולא שיזור. תכונות המערכת אינן מאפשרות מצב שזור. על מנת ליצור שיזור, יש צורך לטעון את הנקודה הקוונטית במטען חשמלי נוסף.

נקודה נייטרלית

נקודה קוונטית אשר מכילה אקסיטונים היא נייטרלית מבחינה חשמלית, מאחר שמטען החור מאזן את מטען האלקטרון. אולם, ניתן לאכלס את הנקודה לא רק באקסיטונים, אלא גם במטען חשמלי טהור - חור או אלקטרון ללא בן זוג. במצב כזה הנקודה תהיה טעונה חשמלית. על מנת לעשות זאת, אפשר להוסיף בקרבת הנקודה "זיהומים" - אטומים של חומר אחר, אשר נוטים לנדב או לקלוט אלקטרונים.

מסתבר, כי אם הנקודה הקוונטית מכילה אלקטרון עודף, ייווצר שיזור בין האלקטרון לבין שני הפוטונים הנפלטים מרקומבינציה של שני אקסיטונים. זהו שיזור של שלושה חלקיקים, אשר שניים מהם נפלטים, ואחד נשאר בחומר. לפי תורת הקוונטים, שינוי במצבו של האלקטרון ישפיע על מצבם של הפוטונים שנפלטו מאחר והם מתוארים על ידי פונקציית גל אחת.