利用激光获得人工原子的能量跃迁

　　研究人员在一个量子点内，即半导体内的一个微小结构，激发了一个看似无法实现的能量转换。资料来源:RUB, Arne Ludwig
　　巴塞尔和波鸿的研究人员已经成功地利用激光解决了人工原子中一个明显无法实现的能量转换问题。利用所谓的辐射俄歇过程，他们是第一个特别激发它的团队。在这个过程中，一个电子从一个较高的能量水平下降到一个较低的能量水平，因此，其能量部分以光的形式释放，部分通过将其转移到另一个电子。人造原子是半导体中狭义定义的领域，有一天可能成为量子通信的基础。巴塞尔大学的研究小组和Ruhr-Universität波查姆以及Münster和弗罗茨瓦夫的同事在《自然通讯》杂志上描述了这一发现，并于2021年11月12日在网上发表。
　　电子在不同的能态之间移动
　　原子由原子核和绕原子核运动的电子组成。这些电子具有不同的能级。与原子核结合更紧密的电子，即更靠近原子核的电子，比远离原子核的电子具有更低的能量。然而，电子不能假设任何任意能级——只有某些能级是可能的。
　　如果一个电子获得能量，例如通过吸收一个光粒子，即光子，它可以被提高到一个更高的能级。如果一个电子降到较低的能级，能量就释放出来。这种能量可以以光子的形式发射出来。但它也可以转移到另一个电子上;在这种情况下，只有一部分能量以光的形式释放，其余的被另一个电子吸收。这个过程被称为辐射俄歇过程。
　　用两束激光激发独特的能量转变
　　通过照射光粒子，电子不仅能被提升到更高的能级;它们也可以被入射光粒子激发而释放能量。入射光粒子的能量必须始终准确地对应于电子将在其之间转移的两个能级的差值。研究人员使用了两种激光器:一种在低能级和高能级之间移动电子;另一个介于高能和中能级之间。这个中间能级对应于一个非平衡能级:没有辐射俄歇过程，向中间能级的转移就不存在。此外，由于相关的光没有被照射，低能级和中能级之间的过渡不应该发生。然而，正是由于辐射俄歇过程中能量从一个电子转移到另一个电子，这个看似不可能的转变在现实中发生。
　　实验用的超纯半导体样品由Ruhr-Universität Bochum的Julian Ritzmann博士制作，在Andreas Wieck教授领导的应用固态物理学主席Arne Ludwig博士的监督下进行。这些测量是由巴塞尔大学的一个团队进行的，该团队由Clemens Spinnler、Liang Zhai、Giang Nguyen和Matthias Löbl博士领导，该团队由Richard Warburton教授领导。