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La física de los anillos cuánticos es un campo fascinante que se ha desarrollado a partir de la evolución de la teoría de estructuras electrónicas de materiales. Desde finales del siglo XX, la física de sólidos ha progresado significativamente, dando lugar a tecnologías que no solo han cambiado la electrónica, sino que también han establecido nuevas fronteras en la comprensión de los sistemas cuánticos a escala nanométrica. Los anillos cuánticos son estructuras bidimensionales o tridimensionales que permiten la manifestación de fenómenos cuánticos en condiciones en las que los efectos clásicos de la física ya no se aplican. Estas estructuras son fundamentales no solo en el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados, sino también en la exploración de nuevos conceptos en física de materiales.
Los anillos cuánticos pueden describirse como estructuras formadas por electrones restringidos a moverse en una trayectoria cerrada o en un círculo. En estos sistemas, las partículas subatómicas exhiben comportamientos sorprendentes debido a la cuantización de la energía. Los anillos cuánticos tienen aplicaciones potenciales en dispositivos de memoria cuántica, en sistemas de procesamiento de información, así como en las tecnologías de láseres y células solares, entre otros. Al estar diseñados a partir de materiales semiconductores de baja dimensionalidad, los anillos cuánticos exhiben propiedades que no pueden lograrse en materiales convencionales.
Uno de los descubrimientos clave en la física de anillos cuánticos es la influencia de la geometría sobre los estados cuánticos del sistema. Los electrones confinados dentro de un anillo cuántico experimentan un fenómeno conocido como "interferencia cuántica", en el cual las funciones de onda de los electrones pueden sumarse o restarse dependiendo de su trayectoria dentro del anillo. Este fenómeno permite que los anillos cuánticos actúen como interruptores extremadamente sensibles a estímulos externos, como campos eléctricos o magnéticos.
Los avances en la creación de heteroestructuras de materiales semiconductores, como los anillos cuánticos, también han permitido una mayor comprensión de la "química de materiales". Tradicionalmente, las heteroestructuras se creaban utilizando materiales de la misma clase, lo que limitaba el rango de estructuras disponibles. Sin embargo, los avances recientes en la ciencia de materiales han permitido la fabricación de heteroestructuras compuestas por materiales de diferentes composiciones químicas, ampliando enormemente las posibilidades en términos de diseño de dispositivos a nivel atómico. Estos avances han revolucionado tanto las aplicaciones tecnológicas como la física fundamental.
Desde los primeros días de la fabricación de estructuras a escala nanométrica, como los "pozos cuánticos" o estructuras de una sola dimensión, la comunidad científica ha trabajado en la superación de limitaciones prácticas y teóricas. A medida que avanzaba la investigación en este campo, los científicos descubrieron que la nanotecnología y la ingeniería de materiales a nivel atómico permitirían la creación de dispositivos cuánticos de bajo umbral de corriente y alta eficiencia. Este tipo de investigación ha dado lugar al descubrimiento de nuevos tipos de estructuras cuánticas, como los puntos cuánticos (QDs) y los hilos cuánticos, que tienen aplicaciones en una variedad de campos, desde la optoelectrónica hasta la computación cuántica.
Sin embargo, la fabricación de estructuras cuánticas sin defectos ha sido uno de los principales retos en la ciencia de materiales. A lo largo de los años, se han desarrollado nuevas técnicas para crear estas estructuras con un mínimo de defectos, lo que ha permitido el crecimiento de estructuras cuánticas altamente funcionales. Un ejemplo importante de este avance es el método Stranski-Krastanow, que permite el crecimiento de nanostructuras cero-dimensionales de forma autoorganizada y controlada. Este tipo de avance es crucial para el desarrollo de dispositivos semiconductores más eficientes, como los láseres de semiconductores, que han alcanzado rendimientos sin precedentes gracias a estas tecnologías de fabricación avanzada.
Además de su aplicabilidad tecnológica, los anillos cuánticos representan una excelente plataforma para la investigación fundamental en física. Estudiar estos sistemas permite a los científicos probar teorías cuánticas, como el principio de exclusión de Pauli y la teoría de bandas electrónicas, en condiciones que no podrían reproducirse en sistemas más grandes o más macroscópicos. Este tipo de estudios abre la puerta a nuevas áreas de investigación, como la computación cuántica, donde el control de estados cuánticos en sistemas de pocos electrones podría permitir la creación de algoritmos cuánticos revolucionarios.
Es importante destacar que, más allá de las aplicaciones tecnológicas inmediatas, el estudio de los anillos cuánticos y de otras estructuras cuánticas puede tener un impacto profundo en nuestra comprensión del mundo a nivel fundamental. Estos sistemas no solo nos ofrecen nuevas herramientas para manipular la materia, sino que también nos enseñan sobre los límites de la física clásica y la transición hacia la física cuántica, un área que sigue siendo, en muchos aspectos, misteriosa y profundamente fascinante.
¿Cómo las oscilaciones ópticas de Aharonov-Bohm se ven afectadas por el campo eléctrico interno en anillos cuánticos?
Los portadores de carga excitados parecen modificar la energía potencial, posiblemente a través de un campo eléctrico interno en el anillo cuántico (QR), lo que resulta en una modificación de las funciones de onda orbitales del anillo. Un campo eléctrico interno en un QR juega un papel crucial en la separación de cargas (.Re /= Rh), lo que es una condición necesaria para el efecto óptico de Aharonov-Bohm (AB). En este contexto, se asume que, dado que la permeabilidad hacia la dirección opuesta al centro del anillo está dominada por electrones ligeros, el agujero pesado se encuentra cerca del centro del anillo. Esto permite suponer que .Re > Rh (ver Figura 9a).
En los anillos cuánticos InAs y InGaAs, la tensión inducida por el indio genera un campo eléctrico interno, lo cual es ventajoso para la separación de cargas. Aunque los anillos cuánticos de GaAs no experimentan tensiones durante la formación y cristalización de las gotas de galio, se utilizan condiciones de crecimiento ricas en galio y baja temperatura de sustrato para suprimir la migración de los átomos de galio. Estas condiciones pueden dar lugar a defectos en la interfaz entre el QR de GaAs y la barrera de AlGaAs, tales como sitios antisistema de Ga y vacantes de As. Como resultado, los portadores atrapados en estos defectos generan un campo eléctrico localizado (.ELoc).
Si los portadores excitados ópticamente afectan este campo eléctrico interno, se puede inducir un cambio en la energía potencial dentro de un QR. Este proceso podría dar lugar a una dependencia de la intensidad de excitación en la energía de fotoluminiscencia (PL), el coeficiente diamagnético y el período de las oscilaciones AB. Al considerar un par electrón-agujero en un QR, el momento angular orbital total (. X = e + h) se da por la suma de los momentos angulares individuales de un electrón y un agujero. El radio de la órbita X, .RX, se define en términos de los radios de órbita (.Re,h) y las masas efectivas (.me,h) para el electrón y el agujero.
En el modelo simplificado unidimensional (1D), los estados propios del sistema pueden expresarse como:
donde dos ángulos acimutales se definen en el sistema de coordenadas del centro de masa (CM). La interacción de Coulomb en las coordenadas relativas se puede describir por la fórmula:
Si el par electrón-agujero está fuertemente ligado, el movimiento relativo puede aproximarse mediante una función gaussiana, .ψ_X (φ) ∝ e^{ -\frac{φ^2}{2ξ_X^2}}. Esto sugiere que, para un valor pequeño de .ξ_X, la energía de rotación de un X en un QR bajo un campo magnético externo (.B) depende principalmente de la energía en el sistema de coordenadas del centro de masa.
De manera similar, en el caso de un estado XX, el momento angular orbital total de la excitación se da por la suma de los momentos angulares de los dos estados X involucrados. La interacción dipolo-dipolo entre los dipolos X puede ser descrita en función de la diferencia en los ángulos acimutales de los dos Xs. Este fenómeno se minimiza cuando los dos Xs están más separados, es decir, cuando .θ = π. La función de onda del movimiento relativo se localiza cerca de .θ = π como .ψ(θ) ∝ e^{ -\frac{|θ| - π}{2ξ_{XX}^2}}.
Al estudiar las oscilaciones AB experimentales, se observa que los períodos de las oscilaciones AB de X y XX disminuyen con el aumento de la intensidad de excitación. Esto sugiere que las oscilaciones AB de X y XX son sensibles a los cambios en la función de onda provocados por la intensidad de excitación. Aunque no se ha aclarado completamente el mecanismo exacto mediante el cual el campo eléctrico interno .ELoc modifica las funciones de onda, es evidente que este fenómeno tiene una influencia significativa sobre la energía de fotoluminiscencia y otras propiedades magnéticas del sistema.
Es fundamental destacar que, aunque el modelo 1D proporciona una representación intuitiva de los comportamientos de los electrones y agujeros en un QR, este modelo debe refinarse con un modelo cuasi-1D para tener en cuenta los anchos finitos de los bordes de los electrones y agujeros. Esto mejora la precisión de las predicciones sobre la energía y los estados cuánticos del sistema, especialmente cuando se considera la interacción Coulombiana.
¿Cómo afectan los factores tecnológicos al crecimiento y la evolución de los puntos cuánticos (QDs) de InAsSbP?
En el estudio del crecimiento y las características físicas de los puntos cuánticos (QDs) de InAsSbP en sustratos de InAs (100), se observa una transición significativa en la forma de los islas inducidas por la tensión, desde estructuras en forma de pirámides truncadas hasta formas más complejas como lentes o elipsoides. Esta evolución está estrechamente relacionada con las condiciones del proceso de crecimiento, que incluyen la temperatura inicial, el tiempo de contacto con el sustrato y las concentraciones de los componentes del líquido de fase.
Durante el proceso de crecimiento en fase líquida (LPE, por sus siglas en inglés), las islas formadas en superficies orientadas a (100) muestran una geometría bastante uniforme a través de un amplio rango de concentraciones. En su mayoría, se observan pirámides truncadas con facetas laterales {111} y una faceta superior {100}, con una relación casi constante entre el ancho de la base de la isla en la dirección (110) y su altura, que se mantiene cerca de dos. Este tipo de estructuras, aunque predominante, no es estático. Los cambios en las condiciones de crecimiento, como la duración del contacto entre la fase líquida y el sustrato, pueden llevar a una transición hacia formas más complejas y menos simétricas, como las lentes y los elipsoides.
Uno de los aspectos más reveladores del estudio es la caracterización detallada de la composición de los puntos cuánticos. A través de técnicas como la espectroscopía de rayos X dispersivos (EDXA), se ha logrado medir la distribución de la composición y los desajustes de la red entre los puntos cuánticos y el sustrato de InAs. Los resultados muestran una simetría notable en la composición a ambos ángulos de la base de las pirámides cortadas, pero también una clara diferencia en la intensidad de la tensión de la red en la parte superior e inferior de las islas. Este fenómeno está relacionado con el aumento del desajuste de la red a medida que disminuye el tamaño de la isla, lo que a su vez afecta a las propiedades físicas de los puntos cuánticos, como la localización de los portadores de carga.
Otro factor crucial en el proceso de crecimiento es el tiempo de homogenización del líquido. Se descubrió que una homogenización más prolongada o un proceso de homogenización en múltiples etapas puede prevenir la formación de islas micrométricas y submicrométricas, favoreciendo así la creación de QDs más pequeños y bien definidos. Este descubrimiento resalta la importancia de un control preciso sobre los parámetros del proceso de crecimiento para la producción de estructuras cuánticas de alta calidad.
En cuanto a los QDs en forma de lente y elipsoidal, su caracterización muestra que los QDs más pequeños presentan una forma predominantemente en lente, mientras que los QDs más grandes, a partir de aproximadamente 60 nm, adoptan una forma elipsoidal, con una elongación principal en la dirección [010]. Este comportamiento refleja un fuerte desacoplamiento en la localización de los portadores de carga, especialmente en el caso de los huecos ligeros, que tienden a estar más localizados en la dirección perpendicular a la superficie del sustrato.
En las mediciones realizadas, también se detectó una dependencia lineal entre la relación de elongación (LX / LY) y la dimensión lateral LX. Este hallazgo sugiere que a medida que los QDs alcanzan cierto tamaño, su forma se empieza a alejar de la simetría esférica hacia formas más alargadas, lo que tiene implicaciones significativas para el diseño y la fabricación de dispositivos optoelectrónicos basados en estos puntos cuánticos.
Los histogramas de la distribución de las alturas de los QDs, obtenidos a partir de imágenes de SEM y AFM, revelan una amplia gama de tamaños de QDs en las muestras, con una densidad de puntos cuánticos pequeños que varía entre 6 y 8 × 10^9 cm−2. Estos QDs pequeños tienen alturas que oscilan entre 0,5 y 25 nm y diámetros entre 10 y 40 nm, mientras que la densidad de los QDs más grandes es mucho menor, alcanzando hasta tres órdenes de magnitud por debajo de la de los QDs pequeños.
Además de los aspectos técnicos y geométricos del crecimiento, es crucial comprender cómo las propiedades físicas de los QDs, como la localización de los portadores de carga, la tensión de la red y la distribución de tamaños, influyen en el rendimiento de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. En particular, la relación entre la forma de los QDs y la localización de los portadores de carga puede tener un impacto directo en la eficiencia y las propiedades de transporte de los dispositivos. A medida que la tecnología avanza, el control sobre la morfología y las características físicas de los QDs se vuelve cada vez más importante para la optimización de dispositivos como láseres de semiconductores, detectores de infrarrojos y células solares de alta eficiencia.
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