¿Cómo afectan los campos magnéticos y voltajes sesgados a la descoherencia de los electrones en estructuras cuánticas?

Los experimentos en dispositivos cuánticos, como los anillos cuánticos (QR) basados en InGaAs, han demostrado que la presencia de campos magnéticos perpendiculares y voltajes sesgados puede reducir significativamente el tiempo de descoherencia de los electrones en condiciones de no equilibrio. Esto implica que, bajo voltajes y campos magnéticos elevados, la interacción de los electrones con el campo magnético acorta su tiempo de descoherencia, lo que puede afectar el comportamiento de estos sistemas a nivel cuántico. La variación en la resistencia de magnetoresistencia a campos magnéticos altos, observada en las oscilaciones de resistencia de magnetoresistencia cuántica, se puede comprender a través de la interferencia de Aharonov-Bohm, un fenómeno fundamental en la física cuántica.

La técnica de microscopía de sonda de barrido (SGM) ha proporcionado imágenes detalladas de las interferencias de Aharonov-Bohm en el espacio real, permitiendo no solo observar la distribución espacial de los estados locales electrónicos, sino también entender cómo las islas de Coulomb se manifiestan en el régimen del efecto Hall cuántico. Estas observaciones, realizadas en anillos cuánticos bajo campos magnéticos bajos y temperaturas extremadamente bajas, revelaron el comportamiento estructural y dinámico del transporte electrónico dentro de estos interferómetros cuánticos.

Además, investigaciones teóricas relacionadas con interferómetros de Aharonov-Bohm en estructuras como nanoribbons de grafeno han mostrado que los efectos de interferencia cuántica en uniones tipo n-p pueden ser inducidos por el potencial de la punta de un AFM (microscopio de fuerza atómica). En estos sistemas, las oscilaciones de conductancia se deben a las corrientes persistentes localizadas que interactúan con las corrientes de borde del efecto Hall cuántico, y esta interacción está controlada tanto por la energía de Fermi como por el potencial de la punta del AFM.

Por otro lado, la autoensamblaje ha demostrado ser un método eficiente para la formación de anillos cuánticos en diversos sistemas de materiales, como InAs/InP, Ge/Si y GaSb/GaAs. La capa de encapsulado en los puntos cuánticos de InAs o InGaAs, seguida de un proceso de recocido, impide la difusión interna de átomos de Ga y Al, lo que resulta en estructuras de anillos cuánticos bien formadas. A diferencia del sistema de materiales InGaAs/GaAs, donde es necesario un proceso de interrupción de crecimiento para iniciar la transformación de puntos cuánticos a anillos cuánticos, los anillos cuánticos de GaSb se forman inmediatamente después de la deposición de GaSb sobre GaAs (001). Estos anillos cuánticos de GaSb muestran una abertura central clara, lo que les confiere una conexión doble, en comparación con los anillos cuánticos autose ensamblados de InGaAs/GaAs, que no presentan esta característica.

Otro avance importante ha sido la aplicación de la epitaxia de gotas en la formación de anillos cuánticos dentro de muros recristalizados, con los cuales se logra una mayor localización de los portadores de carga y, por lo tanto, un control más preciso de los estados electrónicos. La inclusión de un campo eléctrico vertical permite la transformación de puntos cuánticos en anillos cuánticos, lo que facilita el ajuste de las funciones de onda de electrones y huecos en una estructura bidimensional. La capacidad de manipular la estructura electrónica de estos dispositivos mediante voltajes de puerta abre nuevas posibilidades para su uso en aplicaciones tecnológicas avanzadas.

La combinación de técnicas experimentales avanzadas como la espectroscopía de fotoluminiscencia (PL) y simulaciones numéricas ha permitido determinar con precisión la forma de puntos cuánticos en estructuras de GaAs, lo que ha facilitado el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos y fotodetectores en la región del infrarrojo medio. Estos avances son particularmente prometedores para la creación de dispositivos de detección óptica de alta eficiencia y resolución.

¿Cómo afectan las reglas de selección óptica en los sistemas de anillos cuánticos con puertas dobles?

En los sistemas de anillos cuánticos (QR, por sus siglas en inglés), las transiciones entre el estado base y los estados excitados están profundamente influenciadas por la geometría y las reglas de selección dependientes del ángulo de polarización. En particular, los anillos cuánticos con puertas dobles, configurados con un campo eléctrico lateral y un flujo magnético, exhiben un comportamiento único. Las transiciones entre los primeros estados excitados y el estado base pueden ser moduladas según el ángulo de polarización de la radiación incidente, y esto puede abrir nuevas posibilidades para aplicaciones como el láser de terahercios o la manipulación precisa de la frecuencia de las transiciones ópticas.

El comportamiento cuántico en estos sistemas se debe a las complejidades derivadas de la simetría de los estados y de la perturbación causada por el campo eléctrico. Las transiciones entre los estados cuánticos no siempre siguen las reglas típicas de los sistemas de pozos cuánticos dobles (DQW). De hecho, cuando se introduce la asimetría, las transiciones entre el estado base y los dos primeros estados excitados se ven modificadas, permitiendo nuevas rutas de transición que antes eran prohibidas.

El ángulo de polarización, en particular, juega un papel crucial, ya que las reglas de selección óptica dependen de este. Como se observa en los diagramas de la Figura 14, el comportamiento de los elementos de matriz dipolar de transición muestra una fuerte variación con respecto al ángulo de polarización. Esto sugiere que la capacidad para controlar estas transiciones depende estrechamente de la capacidad para manipular el campo eléctrico aplicado a través de las puertas del dispositivo. La simetría de la estructura se ve afectada por el ángulo de polarización y, por ende, por las interacciones entre los diferentes niveles cuánticos.

A medida que la asimetría en el sistema aumenta, la intensidad de las transiciones disminuye, lo que a su vez cambia las probabilidades de excitación. Sin embargo, cuando los valores de la asimetría son suficientemente grandes, es posible que transiciones que originalmente estaban prohibidas se vuelvan permitidas. Este fenómeno se observa en el cambio de las curvas de los elementos de la matriz dipolar de transición en la Figura 14, donde se pueden comparar distintos valores de la asimetría, reflejando un cambio en la naturaleza de las transiciones ópticas.

Una consecuencia importante de este sistema es su potencial para ser utilizado como un láser de terahercios basado en un sistema de tres niveles. En este caso, un láser puede operar entre el primer estado excitado y el estado base, mientras que una transición de excitación del estado base al segundo estado excitado ocurre a frecuencias mucho más altas, lo que permite un control extremadamente preciso sobre la frecuencia de la transición de emisión del láser.

Este comportamiento se vuelve aún más interesante cuando se cambia el signo de las tensiones aplicadas a las puertas, lo que introduce una rotación en la dependencia de la polarización del sistema. La posibilidad de ajustar el sistema variando la tensión de las puertas abre la puerta a la creación de dispositivos ópticos que operan en rangos de frecuencia específicos, como los sistemas de emisión en terahercios, altamente deseados en muchas aplicaciones tecnológicas.

La capacidad para controlar de manera independiente las transiciones ópticas en sistemas de anillos cuánticos con puertas dobles también presenta una ventaja única en el campo de la física cuántica y la tecnología de semiconductores. Si bien en sistemas de pozos cuánticos planos la transición entre estados excitados siempre está permitida, en los anillos cuánticos con puertas dobles, las transiciones entre el primer y el segundo estado excitado pueden ser inicialmente prohibidas y luego permitidas mediante la manipulación de la asimetría, lo que presenta una flexibilidad sin precedentes para la ingeniería de dispositivos cuánticos.

En resumen, el análisis de las transiciones ópticas en sistemas de anillos cuánticos con puertas dobles revela una dependencia no solo del ángulo de polarización, sino también de la asimetría del sistema. Esto lleva a la posibilidad de manipular de forma precisa las transiciones entre estados cuánticos, lo que podría ser aprovechado en la creación de dispositivos optoelectrónicos avanzados y fuentes de radiación terahercios con aplicaciones en comunicaciones, computación cuántica y tecnologías de imágenes.

¿Cómo se describen las interacciones electrón-fonón en nanostructuras de núcleo-cáscara en coordenadas cilíndricas?

El tensor de deformación en coordenadas cartesianas y cilíndricas está dado por una serie de ecuaciones complejas que dependen de las derivadas parciales de los desplazamientos. Por ejemplo, la deformación radial $\epsilon_{rr}$, la azimutal $\epsilon_{\theta\theta}$, y la axial $\epsilon_{zz}$, son funciones de las componentes del desplazamiento en cada una de estas direcciones. A partir de estas deformaciones, es posible determinar las tensiones resultantes, las cuales son necesarias para estudiar las interacciones electrón-fonón dentro de la estructura de núcleo-cáscara.

Además de estas consideraciones mecánicas, es importante entender las ecuaciones que rigen la vibración de los fonones en nanocables de núcleo-cáscara. Los fonones acústicos y ópticos tienen soluciones diferentes en función de su frecuencia y la geometría del sistema. Para los fonones acústicos, se utilizan potenciales auxiliares como $\Gamma$ y $\Lambda$, que permiten resolver las ecuaciones del movimiento en coordenadas cilíndricas. Estas soluciones están representadas por funciones de Bessel o Neumann, dependiendo de si el parámetro $q^2$ es positivo o negativo, lo que determina si las soluciones son ondas propagantes o evanescentes.

Las soluciones para los fonones acústicos en estas estructuras no pueden descomponerse simplemente en movimientos longitudinales o transversales debido a la simetría axial del sistema. Esto implica que las soluciones deben tratarse de manera conjunta, considerando las interacciones entre diferentes modos de vibración. Los modos transversales y longitudinales están relacionados, pero no son independientes, lo que hace que el análisis de la interacción fonón-electrón en estas estructuras sea más complejo que en sistemas con geometría simple.

En cuanto a los fonones ópticos, su descripción sigue una forma similar, aunque en este caso las frecuencias involucradas son más altas y están relacionadas con modos vibracionales más rápidos en el material. Las ecuaciones que rigen estos fonones también dependen de la estructura del material y de las condiciones de frontera impuestas por la geometría cilíndrica. La resolución de estas ecuaciones lleva a relaciones de dispersión que permiten obtener las frecuencias características de los fonones en las distintas regiones del nanocable, ya sea en el núcleo o en la cáscara.

Es fundamental que el lector comprenda que, más allá de las soluciones matemáticas detalladas, el estudio de las interacciones electrón-fonón en nanostructuras de núcleo-cáscara tiene implicaciones profundas en las propiedades electrónicas y térmicas de estos materiales. La comprensión precisa de las tensiones internas, las deformaciones y la interacción entre los fonones y los electrones es clave para el diseño de dispositivos a escala nanométrica, donde las propiedades mecánicas y electrónicas no pueden ser tratadas de forma separada, sino que deben analizarse conjuntamente.

¿Cómo la epitaxia por gota influye en el diseño y las propiedades electrónicas de los anillos cuánticos?

El comportamiento del momento de los electrones en anillos cuánticos cambia significativamente con la aplicación de un campo magnético, lo que influye en la dispersión de la energía de los excitones, dependiendo del radio del anillo. Además, las reglas de selección suprimen fuertemente el túnel de carga entre estados de diferente momento angular en los anillos cuánticos concéntricos. Este fenómeno tiene implicaciones directas en la investigación de dispositivos cuánticos basados en semiconductores, ya que permite el control efectivo del acoplamiento entre excitones directos e indirectos. Un aspecto particularmente relevante es la posibilidad de rellenar estos anillos con unos pocos electrones, lo que abre la posibilidad de detectar el efecto Aharonov-Bohm a través de las oscilaciones magnéticas en la corriente persistente que transportan estos estados de electrones únicos. Además, la posibilidad de estudiar estructuras nanométricas con simetría cilíndrica, como discos o anillos, utilizando luz torcida, ha abierto nuevas posibilidades. La luz torcida, que lleva momento angular orbital, ha atraído una considerable atención en las últimas dos décadas debido a sus propiedades fundamentales y a sus aplicaciones, que incluyen la interacción con partículas mesoscópicas, átomos, moléculas, condensados de Bose-Einstein, astronomía observacional, y, finalmente, la codificación de información para comunicaciones cuánticas.

Por otro lado, la epitaxia por gota (DE) ha demostrado ser una técnica más flexible y eficiente, permitiendo la fabricación de estructuras cuánticas 3D con geometrías más complejas. La técnica DE se basa en la alimentación secuencial de elementos del grupo III y del grupo V, a diferencia del crecimiento convencional de MBE, en el cual los elementos se suministran simultáneamente al sustrato. Este proceso permite la formación de gotitas nanométricas de Ga, que luego se cristalizan en estructuras cuánticas de GaAs cuando se les suministra flujo de As. Las condiciones de crecimiento afectan fuertemente la densidad y distribución de estas nanostructuras, y la elección adecuada de los parámetros permite obtener una amplia variedad de morfologías, desde anillos simples hasta configuraciones más complejas como anillos concéntricos múltiples o combinaciones de puntos y anillos.

El proceso de epitaxia por gota también se ha utilizado para producir anillos cuánticos concéntricos con diferentes configuraciones, que van desde estructuras de anillos dobles hasta anillos triples. Las investigaciones sobre las condiciones de crecimiento, como la temperatura del sustrato y la tasa de flujo de As, muestran cómo estas variables influyen en la formación y la forma de las estructuras cuánticas obtenidas. Por ejemplo, al reducir el flujo de As o aumentar la temperatura, la formación de islas 3D puede verse impedida, lo que demuestra la importancia de controlar de manera precisa las condiciones de crecimiento para obtener la geometría deseada en las estructuras.

El uso de la epitaxia por gota y el control sobre las tensiones y las propiedades electrónicas de las estructuras cuánticas permiten abordar desafíos complejos en la fabricación de dispositivos cuánticos. La capacidad de diseñar y controlar con precisión las características de las estructuras cuánticas abre nuevas puertas para la investigación y el desarrollo de dispositivos basados en semiconductores para la tecnología cuántica. De esta manera, la epitaxia por gota se presenta como una técnica clave en el campo de la nanoelectrónica y la fotónica cuántica, con un gran potencial para aplicaciones futuras.

¿Cómo se pueden diseñar y entender las propiedades electrónicas de anillos cuánticos semiconductores mediante técnicas avanzadas de crecimiento y modelado?

Los anillos cuánticos (Quantum Rings, QRs) semiconductores han captado una atención creciente en los últimos años debido a sus singulares propiedades electrónicas, que confinan a los portadores de carga en estados cuánticos con geometría anular. Esta configuración permite estudiar fenómenos cuánticos asociados al flujo magnético, como las oscilaciones de Aharonov-Bohm, que no tienen análogo clásico y manifiestan cambios periódicos en las propiedades mecánico-cuánticas del sistema ante un campo magnético aplicado.

El análisis estadístico basado en imágenes de alta resolución obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido (HR-SEM) muestra que la densidad media de los anillos cuánticos oscila entre (1–3) × 10^9 cm^−2, con un diámetro medio de salida de aproximadamente 35 nm y una altura media de 10 nm. La distribución del tamaño de los anillos sigue una forma gaussiana con un ancho a mitad de altura (FWHM) de unos 20 nm, lo que indica un control significativo sobre la uniformidad estructural.

En cuanto a la naturaleza electrónica, los QRs y QDs de tipo II, a diferencia de los de tipo I, presentan una distribución de portadores de carga y geometría mucho más compleja, lo que resulta en funciones de onda electrónicas altamente deslocalizadas, especialmente para electrones con masa efectiva menor. El acoplamiento entre la tensión mecánica derivada del desajuste de red y la composición química induce un efecto compensatorio en el desplazamiento de la banda de conducción, evitando la localización del electrón en los QRs. Esto contribuye a la manifestación de oscilaciones periódicas en las propiedades electrónicas inducidas por el flujo magnético, las llamadas oscilaciones Aharonov-Bohm, observadas en excitones y fotoluminiscencia.

Las mediciones de magnetorresistencia en geometrías Faraday y Voigt con campos magnéticos de hasta 1.6 T a temperatura ambiente muestran irregularidades en la curva de resistividad del sustrato con QRs, que se atribuyen a dicho efecto Aharonov-Bohm. Además, la resistencia del lámina con QRs resulta hasta un orden de magnitud mayor que la del sustrato de referencia, lo que sugiere aplicaciones directas en detectores fotoconductivos en el rango infrarrojo medio, ampliando su potencial tecnológico.

El análisis de las tensiones hidroestáticas y biaxiales revela una influencia sutil pero significativa en los niveles de energía de electrones y huecos, con diferencias del orden de milésimas de electrón-voltio al comparar estados con y sin tensión. Estas pequeñas variaciones son cruciales para el comportamiento cuántico, afectando la estructura fina de los niveles electrónicos y la respuesta óptica del sistema.

Es fundamental comprender que la interacción compleja entre tensiones mecánicas, composición química no homogénea y propiedades cuánticas de confinamiento en QRs determina su funcionalidad. Además, la implementación de modelos teóricos sofisticados como el de ocho bandas k·p permite anticipar comportamientos físicos más allá de lo observable experimentalmente, facilitando el diseño racional de nanostructuras con propiedades deseadas. La presencia de oscilaciones Aharonov-Bohm en sistemas tipo II también implica que los efectos cuánticos colectivos, más allá del confinamiento individual, juegan un papel importante en la respuesta electrónica y magnética de estos sistemas.