¿Cómo surgen y se manifiestan las corrientes persistentes en anillos cuánticos mesoscópicos?

En sistemas con potencial periódico, los electrones ocupan bandas de energía de anchura $V$, separadas por brechas de energía $\Delta$. Estos estados de banda pueden transportar corrientes persistentes, cuya existencia es uno de los fenómenos más notables de la física mesoscópica. La energía de banda en un anillo sometido a un flujo magnético $\Phi$ oscila periódicamente con el flujo, cumpliendo la relación $E_n(\Phi) = E_n(\Phi + \Phi_0)$, donde $\Phi_0$ es el cuanto de flujo magnético. La corriente persistente asociada a una banda específica está dada por $I_n = -dE_n(\Phi)/d\Phi$, y su signo se alterna entre bandas consecutivas en anillos geométricamente perfectos.

El segundo criterio esencial es la baja temperatura. Si $k_BT > \Delta$, las contribuciones opuestas de las corrientes persistentes de los niveles ocupados tienden a cancelarse, reduciendo drásticamente la corriente neta observable. Estos principios sentaron las bases del intenso interés iniciado por el trabajo pionero de Büttiker, que examinó la resistencia y la absorción de potencia en anillos metálicos unidimensionales acoplados a un reservorio disipativo.

Más adelante, se realizaron mediciones sobre arreglos de anillos de oro y conjuntos de anillos de plata desconectados. Sin embargo, surgió una discrepancia significativa: en anillos metálicos en el régimen difusivo, las magnitudes de las corrientes persistentes medidas superaban en dos órdenes de magnitud a las predichas por modelos de electrones no interactuantes, mientras que en anillos semiconductores balísticos el acuerdo era razonable.

Esto impulsó el desarrollo de modelos más realistas, que incorporaban el tamaño finito, diferentes tipos de desorden y las interacciones electrón-electrón. En particular, se exploraron aspectos como la elección del conjunto estadístico (canónico frente al gran canónico), el papel del espín en la aparición del efecto Aharonov–Bohm fraccional, y las correlaciones electrónicas más allá de la aproximación de primer orden.

Para cerrar la brecha entre teoría y experimento en anillos metálicos, se propusieron elementos conceptuales clave: la neutralidad de carga local en volúmenes mayores que la longitud de apantallamiento, y la supresión de los efectos del desorden por la interacción electrón-electrón. También se consideró la posibilidad de superconductividad débil en los metales involucrados, dada la observación de corrientes persistentes con signo diamagnético, lo cual sugería temperaturas críticas extremadamente bajas.

En el régimen balístico, una teoría cuántico-mecánica rigurosa reveló que el acoplamiento entre diferentes canales del movimient

¿Cómo influye la estructura de puntos cuánticos cooperativos en las propiedades optoelectrónicas de los dispositivos infrarrojos de mediana longitud de onda?

La Figura 27a muestra una imagen AFM de la morfología de la superficie grabada de InAs (100), donde las líneas de paso de grabado son claramente visibles y se ordenan a lo largo de la dirección [010]. Por razones termodinámicas, estas líneas de paso deben predeterminar la ubicación preferencial de los puntos cuánticos (QDs) y, por lo tanto, ordenar las nanostructuras durante su nucleación. La Figura 27b presenta una imagen AFM de estructuras tipo cadena de QD crecidas a partir de una fase líquida cuaternaria In-As-Sb-P sobre el sustrato grabado InAs (100). Un estudio estadístico muestra que la densidad media de los QDs varía de 5 a 7×10⁹ cm⁻², con alturas y anchuras de los QDs que oscilan entre 3 y 10 nm, y entre 20 y 50 nm, respectivamente. En la Figura 27c se presenta la distribución gaussiana de las alturas de los QDs, medida en un área de superficie de S = 64 µm², con un ancho completo a la mitad de la altura igual a 4 nm.

Las cadenas cooperativas tienen un ancho total de aproximadamente 120 nm, una longitud de 2–5 µm y están orientadas a lo largo de la dirección [010]. La separación entre los QDs dentro de las sub-cadenas es de aproximadamente 40 nm, y el diámetro promedio de las hojas es de 20 nm. Los mecanismos físicos y las características de nucleación de los QDCs son los mismos que para las moléculas de QDs InAsSbP.

Posteriormente, realizamos espectrometría de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para investigar los espectros de absorción a temperatura ambiente de los QDCs InAsSbP. Como muestra de referencia, se utilizó un sustrato InAs no dopado y grabado, sin QDCs. El resultado mostró un desplazamiento hacia el rojo en el borde de absorción de λ = 3.45 μm (para la muestra de referencia) a λ = 3.87 μm para la muestra con QDCs. También se observó un ligero ensanchamiento del espectro de absorción hacia longitudes de onda más cortas. Este desplazamiento hacia el rojo es similar al detectado para las moléculas de QDs InAsSb-QD/InAsP-hojas.

Una vez formados los contactos óhmicos con una configuración determinada y sobre los QDCs InAsSbP no encapsulados, estas muestras pueden ser utilizadas como células fotoconductivas basadas en QDs y aplicadas directamente como fotodetectores en la importante región espectral infrarroja media, así como para guías de onda nanofotónicas. Debido al acoplamiento cuántico y las inusuales interacciones físicas entre partículas en los QDCs, estas estructuras no solo tendrán características optoelectrónicas mejoradas, sino también propiedades magnéticas inusuales, lo que las convierte en candidatas potenciales para magnetorresistores de QD.

Los contactos óhmicos en ambas estructuras se fabricaron mediante evaporación en vacío, en forma de una capa de Au(Ge)/Cr, seguida de un tratamiento térmico. La configuración geométrica de los contactos fue elegida para proporcionar un flujo de corriente uniforme. Las imágenes de HR-SEM y TEM de las secciones transversales de las heteroestructuras de diodo QDs basadas en InAsSbP se presentan en las Figuras 31a y 31b, respectivamente.

Los resultados de las mediciones de fotorespuesta a temperatura ambiente muestran que la muestra de PCC de QDs InAsSbP (Estructura 1) presenta picos en regiones tanto de longitudes de onda más largas como más cortas, a diferencia de la muestra de referencia de InAs, que solo muestra un pico característico correspondiente a la transición de banda a banda de InAs. Este comportamiento resalta el potencial de los QDs como dispositivos fotodetectores en el rango infrarrojo medio, con aplicaciones en diversas tecnologías emergentes.