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Le strutture a buche quantiche (quantum well in inglese) rappresentano una delle più eleganti applicazioni della meccanica quantistica nell'ingegneria dei materiali. Immaginate di creare una "prigione" microscopica (anzi, nanoscopica, cioè di poche decine di miliardesimo di metro) per elettroni, così piccola che le leggi della fisica classica cedono il passo a quelle della fisica quantistica, del tipo di quella descritta in Effetto tunnel.
Una buca quantica nasce stratificando materiali semiconduttori con diverse 'energy gap’ (l’energy gap è l’intervallo energetico tra la banda di valenza e quella di conduzione ed è inaccessibile per il moto dell’elettrone - banda proibita). Tipicamente, le strutture a buche quantiche sono realizzate depositando uno strato sottilissimo di un semiconduttore (per esempio l’arseniuro di gallio - GaAs) tra due strati di un materiale con energy gap più ampia (come per esempio l'arseniuro di alluminio - AlAs). Questo crea una barriera energetica che limita il movimento degli elettroni lungo la direzione perpendicolare agli strati, mentre rimangono liberi di muoversi nel piano della “farcitura” del tramezzino.
È possibile anche confinare ulteriormente il movimento dell’elettrone fino a “costringerlo” a muoversi lungo un “filo quantico” o restare all’interno di un “punto quantico”. Il confinamento quantistico modifica drasticamente le proprietà ottiche ed elettroniche del materiale, poiché i livelli energetici degli elettroni diventano discreti, in maniera analoga a quella degli elettroni negli atomi. Variando le dimensioni della “prigione” e lo spessore delle pareti (da pochi nanometri a decine di nanometri), è possibile "sintonizzare" con precisione le proprietà ottiche ed elettroniche del sistema.
Nei dispositivi LED, il colore della luce può essere progettato scegliendo lo spessore opportuno della buca quantica: spessori maggiori corrispondono a colori più caldi.
Le buche quantiche sono alla base di molte tecnologie che utilizziamo quotidianamente. Nei laser a semiconduttore consentono di controllare con precisione la lunghezza d'onda della luce emessa, rendendo possibili, per esempio, lettori CD/DVD e comunicazioni in fibra ottica. Nei LED moderni permettono di ottenere colori puri e alta efficienza energetica. Nel campo dell'elettronica, i transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) utilizzano buche quantiche per consentire velocità di commutazione elevatissime, essenziali nelle telecomunicazioni a larga banda.
Nei sensori infrarossi, queste strutture permettono di rilevare radiazioni termiche con sensibilità straordinaria. Il costante sviluppo delle tecnologie si sta concentrando su nuove applicazioni delle strutture a confinamento quantistico, quali i computer quantistici, celle solari ad altissima efficienza e dispositivi optoelettronici integrati per l'informatica e le comunicazioni di domani, dove i fotoni avranno un ruolo non solo nella trasmissione, ma anche nella elaborazione della informazione.
Autore: Maurizio Dabbicco
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