低維與奈米尺度系統

量子井

/ KWON-tum WEL /

設想一顆彈珠停在兩座小山之間一道淺淺的山谷底部。它能沿著谷底朝任意側向自由滾動,卻翻不過兩旁的山頭。量子井裡的電子正落在這樣一個陷阱裡——能在一個平面上自由移動,卻被關在上下方向上。

量子井是一層很薄的材料,夾在另一種材料的兩層之間,中間這層給電子提供較低的能量——也就是谷底,而外側兩層就像四周的山。這一層只有幾奈米厚,薄到足以讓電子的波動本性顯現出來:在這個薄薄的方向上,它只能取某些分立的能量,而在兩個平鋪的方向上,它仍然自由滑行。結果就是一層電子,表現得彷彿生活在一個二維世界裡。

量子井之所以重要,是因為它是現代光電子學的主力——雷射筆、LED顯示屏、光纖發射器裡那些發光的薄層,通常就是量子井,因為局限讓工程師能精確地設定發出哪種顏色的光。誠實的提醒是:井並不是一個完美的盒子:如果它太淺或太薄,電子的波就會越過山頭漏出去,削弱了局限,所以陷阱的深度和厚度必須仔細匹配。

一支紅色雷射筆裡,往往藏著一個僅約十個原子厚的量子井。由於被困在其中的電子只能在固定的能級之間跳落,它們發出的光便是一種銳利而確定的顏色,而不是糊成一片的彩虹。

雷射二極體內部那層發光的薄膜,通常就是一個僅幾個原子厚的量子井。

量子井在一個方向上限制電子,它是量子線(在兩個方向上受限)和量子點(在三個方向上全受限)的層狀表親——三者構成一個家族,按被凍結掉的運動方向數目排序。

又稱
量子阱