Za omejevanje elektronov na določenih energijskih ravneh se uporablja kvantna vrtina. Kvantne vrtine so sestavljene iz izjemno tankega polprevodnika z majhno pasovno vrzeljo, ki leži med materialom z večjo pasovno vrzeljo. So izjemno majhni, običajno med 1 in 20 nanometrov. Najpogosteje se uporabljajo pri laserskih diodah in infrardečem slikanju.
Ta dobro uporablja lastnosti obnašanja elektronov in pasovnih vrzeli za delovanje. Pasovne vrzeli so območja v orbitali elektronov med osnovnim stanjem, kjer elektroni normalno počivajo, in prevodnim pasom, kamor se premikajo elektroni z višjimi energijskimi orbitalami, ko so vzbujeni. Vrzeli so ovire med pasovi osnovnega stanja in prevodnimi pasovi, ki preprečujejo, da bi elektroni dosegli prevodni pas, ne da bi pridobili več energije, kot jo imajo v svojih osnovnih stanjih. Večja kot je pasovna vrzel, več energije potrebujejo elektroni, da preskočijo to vrzel in dosežejo prevodni pas.
Ko elektron doseže prevodni pas, sprosti svojo odvečno energijo in pade nazaj v osnovno stanje. Z namestitvijo mikroskopsko tankega polprevodnika med material s preširokimi pasovimi vrzeli, da bi elektroni zlahka skočili, lahko znanstveniki prisilijo elektrone, da ostanejo v dvodimenzionalnem območju tankega polprevodnika. Ujemanje elektronov na ta način omogoča specifično manipulacijo z energijo.
Ker se elektroni lahko premikajo samo v dveh smereh, lahko proizvedejo samo vrsto energije, ki jo želi znanstvenik ali proizvajalec. Tudi ta energija je usmerjena v izjemno ozek tok. Zaradi tega fokusa kvantne vrtine ustvarjajo natančne laserje za optične naprave. Dobro znan primer kvantne vrtine je laser za branje v predvajalnikih zgoščenk (CD).
Kvantne vrtine imenujemo “vodnjaki” ne le zaradi njihovega obnašanja pri lovljenju elektronov, kot bi vodnjak ujel vodo, temveč tudi zaradi njihovega videza, ko je grafično prikazan. Ko so kvantne vrtine prikazane na grafih energije in položaja, so videti kot globoke doline ali vodnjaki, pogosto v pravokotni obliki. Kvantna vrtina je vrsta potencialne vrtine, kar pomeni, da obstaja možnost za proizvodnjo minimalne, fiksne količine energije.
Kvantna vrtina je gojena, namesto ustvarjena, običajno narejena iz materiala, kot je galijev arzenid, obdan z aluminijevim arzenidom. Vrtine se najpogosteje gojijo s postopkom, imenovanim molekularna epitaksija, ki uporablja izlivno celico za streljanje molekul snovi na osnovno snov. Ta metoda ustvari eno atomsko plast materiala vrtine z vsakim žganjem celice.