Un pozzo quantico viene utilizzato per confinare gli elettroni a specifici livelli di energia. I pozzi quantistici sono costituiti da un semiconduttore estremamente sottile con una banda proibita ridotta, che riposa tra materiale con una banda proibita maggiore. Sono estremamente piccoli, di solito tra 1 e 20 nanometri. Sono più spesso utilizzati nei diodi laser e nell’imaging a infrarossi.
Questo pozzo utilizza le proprietà del comportamento degli elettroni e le lacune di banda per funzionare. I gap di banda sono aree nell’orbitale di un elettrone tra lo stato fondamentale, dove gli elettroni riposano normalmente, e la banda di conduzione, dove gli elettroni orbitali di energia più elevata si muovono quando sono eccitati. I gap sono barriere tra le bande di stato fondamentale e le bande di conduzione, che impediscono agli elettroni di raggiungere la banda di conduzione senza guadagnare più energia di quella che hanno nei loro stati fondamentali. Maggiore è il gap di banda, maggiore è l’energia necessaria agli elettroni per saltare questo gap e raggiungere la banda di conduzione.
Una volta che l’elettrone raggiunge la banda di conduzione, rilascia la sua energia in eccesso e ricade nel suo stato fondamentale. Posizionando un semiconduttore microscopicamente sottile tra materiale con band gap troppo ampi per consentire agli elettroni di saltare facilmente, gli scienziati possono costringere gli elettroni a rimanere nell’area bidimensionale del semiconduttore sottile. Intrappolare gli elettroni in questo modo consente una specifica manipolazione dell’energia.
Poiché gli elettroni possono muoversi solo in due direzioni, possono produrre solo il tipo di energia che lo scienziato o il produttore desidera. Questa energia è anche concentrata in un flusso estremamente stretto. A causa di questa attenzione, i pozzi quantistici creano laser accurati per dispositivi ottici. Un noto esempio di pozzo quantistico è nei laser di lettura nei lettori di compact disc (CD).
I pozzi quantistici sono chiamati “pozzi” non solo per il loro comportamento nell’intrappolare gli elettroni come un pozzo intrappolerebbe l’acqua, ma anche per il loro aspetto quando vengono rappresentati graficamente. Quando i pozzi quantistici sono rappresentati su grafici energia vs posizione, sembrano profonde valli, o pozzi, spesso di forma rettangolare. Un pozzo quantistico è un tipo di pozzo potenziale, il che significa che esiste un potenziale per la produzione di una quantità minima e fissa di energia.
Cresciuto, piuttosto che creato, un pozzo quantico è solitamente costituito da materiale come l’arseniuro di gallio circondato da arseniuro di alluminio. I pozzi vengono coltivati, il più delle volte, mediante un processo chiamato epitassia a fascio molecolare, che utilizza una cellula di effusione per sparare molecole della sostanza a una sostanza di base. Questo metodo crea un singolo strato atomico del materiale del pozzo ad ogni cottura della cella.