Pozzo quantico

Un pozzo quantico (quantum well) è la realizzazione della buca di potenziale che confina le particelle, forzandone la localizzazione. Gli effetti del confinamento quantico hanno luogo quando lo spessore del pozzo diventa comparabile alla lunghezza di coerenza dei portatori (generalmente elettroni e lacune); come conseguenza le particelle confinate nel pozzo possono occupare un numero discreto di livelli energetici, formando un gas quasi bi-dimensionale.

Il concetto di pozzo quantico fu proposto nel 1963 in modo indipendente da Herbert Kroemer^[1] e da Zhores Alferov e R.F. Kazarinov.^[2]

Dingle ha compiuto le prime osservazioni sperimentali del fenomeno nel 1974, un decennio dopo la sua predizione teorica.

Caratteristiche

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Per ottenere il pozzo quantico e altre eterostrutture si usano diverse tecnologie che differiscono per costi, precisione e velocità. Le due più usate sono la epitassia da fasci molecolari (Molecular Beam Epitaxy, MBE) e la deposizione chimica da vapori di molecole metallorganiche (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD).

È possibile fabbricare un pozzo quantico di dimensioni nanoscopiche semplicemente depositando il semiconduttore scelto tra due strati di altro materiale con più ampio band gap. In questo modo si ottiene un confinamento delle particelle, originariamente libere di muoversi nelle tre dimensioni, in una regione planare, purché lo spessore L del pozzo sia comparabile alla lunghezza di coerenza dei portatori, che potranno da quel punto in poi avere livelli energetici discreti, corrispondenti ai modi permessi nella buca. Gli elettroni avranno così una densità di stati decisamente meno fitta rispetto al bulk del materiale. Drogando la buca stessa, si può arrivare alla formazione di un gas elettronico bidimensionale, che presenta interessanti proprietà alle basse temperature, come l'effetto Hall quantistico.

Esistono altri tipi di strutture quantiche: fili quantici e punti quantici nei quali il confinamento è esteso rispettivamente a due dimensioni spaziali ed a tre dimensioni spaziali.

Si possono creare dei pozzi quantici crescendo, per esempio, GaAs in AlGaAs (il secondo ha una gap maggiore del primo, nello schema Materiale A: AlGaAs, Materiale B: GaAs). I portatori del primo non possono uscire perché limitati dal potenziale di gap del secondo che è maggiore, e quindi si ha un pozzo quantico.

Le soluzioni dell'equazione di Schrödinger per l'elettrone confinato nel pozzo quantico sono le stesse della buca di potenziale a pareti finite se si trascura il fatto che la massa efficace dell'elettrone nel materiale A è diversa da quella nel materiale B. Di fatto la differenza è minima e trascurandola non si commettono errori significativi.

Note

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^ H. Kroemer, A proposed class of hetero-junction injection lasers, in Proceedings of the IEEE, vol. 51, n. 12, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 1963, pp. 1782–1783, DOI:10.1109/proc.1963.2706, ISSN 0018-9219 (WC · ACNP).
^ Zh. I. Alferov and R.F. Kazarinov, Authors Certificate 28448 (U.S.S.R) 1963.