El estudio de las oscilaciones Aharonov-Bohm (AB) en sistemas cuánticos ha sido una piedra angular de la física mesoscópica, especialmente en estructuras de anillos cuánticos (QRs) bajo campos magnéticos. Tradicionalmente, estos efectos se observaban en experimentos eléctricos, donde las oscilaciones de la conductancia y las corrientes persistentes eran detectadas a temperaturas extremadamente bajas (por debajo de 100 mK). Sin embargo, con los avances en la tecnología de puntos cuánticos (QDs) de tipo II y anillos cuánticos, las oscilaciones AB se han vuelto accesibles a través de experimentos ópticos, permitiendo la observación de la coherencia cuántica a temperaturas mucho más altas, hasta 100 K, en sistemas nanométricos con tamaños cercanos a los 50 nm.

En un anillo cuántico de tipo II, los electrones y los huecos orbitan alrededor de la circunferencia del anillo. A diferencia de los puntos cuánticos donde el electrón o el hueco se mueven dentro de una cáscara esférica, los anillos cuánticos presentan una interacción de Coulomb mucho más fuerte, lo que provoca que el exicton (X), compuesto por un electrón y un hueco, pueda ser aproximado como una partícula única. Este exicton cargado de manera neutra requiere que los radios orbitales de los electrones y los huecos sean diferentes, lo que da lugar al efecto AB. La diferencia en los flujos magnéticos que atraviesan estas órbitas es crucial para determinar la fase del exicton radilmente polarizado.

En términos de la señal de mezclado de cuatro ondas (DFWM), al excitar los niveles finos del momento angular orbital del anillo, se generan oscilaciones cuánticas que se pueden observar como cambios en la intensidad de la señal, particularmente en las señales TI-DFWM. Estas oscilaciones son el resultado de la interferencia cuántica entre los diferentes estados finos que contribuyen a la señal. Los experimentos muestran que estas oscilaciones están dominadas por dos períodos de tiempo: T23 = 3.98 ps y T34 = 2.84 ps, que corresponden a separaciones energéticas entre los estados l = 2 y l = 3, y l = 3 y l = 4, respectivamente.

En condiciones de campo magnético, la intensidad de la señal TI-DFWM depende de la densidad de estados dentro del espectro láser. A medida que el campo magnético aumenta, los niveles finos involucrados y sus separaciones de energía cambian. En un campo magnético de aproximadamente 5.7 T, se maximiza el número de niveles finos excitados. Sin embargo, los cambios en el campo magnético también inducen un desplazamiento en las frecuencias de los batidos cuánticos, lo que provoca un ensanchamiento de las líneas espectrales. Este fenómeno está relacionado con el aumento de las interferencias cuánticas y el acoplamiento de múltiples estados excitados, lo cual afecta la precisión y resolución espectral de las señales.

Es importante destacar que la dependencia del campo magnético también tiene implicaciones en el comportamiento de los estados finos. En particular, cuando el campo magnético es fuerte, los estados con l ≠ 0 pueden llegar a ser los más bajos, dando lugar a oscilaciones AB que dependen del campo. La anisotropía de los anillos cuánticos, cuya morfología se asemeja a un volcán, juega un papel crucial en la relajación de las reglas de selección de los niveles finos, lo que influye en la intensidad y la separación de estos niveles, así como en la forma de las oscilaciones AB.

A medida que el campo magnético aumenta, el exicton, que inicialmente se localiza en posiciones opuestas del anillo cuántico cuando B = 0, se combina en una única función de onda cuando el campo alcanza un valor crítico (Bc). Esta transición es la que permite la aparición de las oscilaciones AB, un fenómeno óptico que refleja el cambio en la topología de la función de onda en un sistema cuántico de anillo.

Además, la dependencia del campo magnético y la interacción de los niveles finos del momento angular orbital con las oscilaciones Aharonov-Bohm proporcionan una vía para explorar los límites de la coherencia cuántica en sistemas controlados externamente, y permiten la medición precisa de los efectos cuánticos en anillos cuánticos anisotrópicos. Estos resultados son útiles no solo para la comprensión fundamental de la física cuántica en sistemas reducidos, sino también para aplicaciones prácticas en dispositivos cuánticos donde el control de los estados cuánticos es esencial para la implementación de tecnologías emergentes, como la computación cuántica y la optoelectrónica.

¿Cómo el ángulo de inclinación del campo magnético influye en la dinámica de las ondas de espín?

El comportamiento de las ondas de espín en presencia de un campo magnético inclinado ha sido estudiado profundamente, utilizando la ecuación de Landau-Lifshitz para modelar la dinámica de los componentes de magnetización. En este contexto, un campo magnético inclinado introduce interacciones no diagonales entre los modos de ondas de espín, lo que da lugar a acoplamientos y divisiones de modos. A través de un enfoque perturbativo, se describe este fenómeno para ángulos de inclinación pequeños, proporcionando una explicación clara de cómo los modos de espín se ven afectados.

Los cálculos analíticos muestran que el modo más bajo (i − 1) no se divide debido a la falta de modos vecinos con los cuales acoplarse. Sin embargo, los modos superiores experimentan divisiones sistemáticas. El número de niveles divididos está determinado por la relación 2i − 1, lo que significa que el segundo modo se divide en tres niveles, el tercer modo en cinco, y así sucesivamente. Este patrón de división es progresivo, con la magnitud de la división aumentando tanto con el número de modo como con el ángulo de inclinación. La forma de cada modo es una combinación de funciones de Bessel de orden par, lo que da lugar a una estructura única de divisiones conforme se incrementa el ángulo de inclinación.

Este patrón sistemático de divisiones permite predecir el comportamiento de las ondas de espín en campos no perpendiculares, lo cual tiene implicaciones prácticas para aplicaciones en espintrónica. Por ejemplo, tales modos pueden ser utilizados para el procesamiento de señales o como componentes sintonizables en dispositivos magnéticos. A pesar de su utilidad, esta teoría se limita a ángulos pequeños de inclinación (θ < 5°), ya que para ángulos más grandes es necesario un modelado más avanzado. Además, la influencia de las condiciones de frontera, como el pinzamiento de la magnetización, introduce complejidades que no son completamente capturadas por este enfoque simplificado.

El modelo propuesto es capaz de describir cuantitativamente los resultados experimentales cuando tanto el ángulo θ como el ángulo de magnetización de equilibrio θ0 son pequeños. Sin embargo, la falta de una coincidencia total entre la teoría y el experimento, observada en algunas figuras, se puede asociar con el efecto del pinzamiento dinámico de la magnetización, el cual ha sido estudiado con detalle en trabajos previos. Para simplificar, se utilizaron condiciones de frontera fijas en todos los casos, aunque se ha demostrado que las condiciones de frontera dipolares dependen del ángulo entre la magnetización variable y la frontera del dispositivo, un factor que no se tuvo en cuenta en la teoría propuesta.

Por otro lado, la teoría de perturbación utilizada en este caso es válida cuando las diferencias de energía entre los niveles de los modos de diferentes números son apreciables. No obstante, cuando los niveles de los modos divididos se acercan o incluso se cruzan cerca de un ángulo de inclinación de θ ≈ 5°, la validez de la teoría de perturbación para ángulos mayores se ve restringida. A pesar de estas limitaciones, la diferencia entre los resultados experimentales y teóricos es inferior al 5%, incluso para ángulos de 5°.

Cuando el campo magnético externo se desvía de la dirección perpendicular al plano de los puntos, se viola la simetría cilíndrica del punto aislado. Los resultados experimentales muestran que, en este caso, el modo más bajo no se divide, el segundo modo se divide en tres niveles, y el tercer modo en cinco niveles. La teoría fenomenológica de perturbaciones desarrollada aquí explica este comportamiento y proporciona una regla simple que define el número de niveles que corresponde al número de modo en el caso simétrico, como 2i − 1. Además, la forma de cada modo es una combinación de funciones de Bessel de orden par.

Los anillos magnéticos han atraído considerable atención en las últimas décadas debido a sus estados magnéticos fundamentales únicos y su potencial para ser utilizados en aplicaciones como memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM), sensores biomédicos y lógicas magnéticas. Estos anillos muestran una alta capacidad de sintonización, lo que ha llevado a investigaciones intensivas sobre sus propiedades magnéticas estáticas y dinámicas.

Estudios recientes se han centrado en los espectros de ondas de espín de anillos magnéticos con el campo magnético aplicado fuera del plano, siendo este un campo interesante de investigación tanto experimental como numéricamente. En particular, los anillos de permalloy delgados, fabricados mediante litografía ultravioleta profunda, muestran una morfología bien definida, lo que permite una buena calidad en los experimentos. Los resultados experimentales fueron complementados con simulaciones micromagnéticas, que replicaron las condiciones experimentales y proporcionaron visualizaciones detalladas de los perfiles de los modos y sus dependencias con el campo magnético.

Lo que debe entenderse más allá de los detalles teóricos es la implicación de estos resultados para el diseño y la optimización de dispositivos espintrónicos. La habilidad para controlar la dinámica de ondas de espín en un medio magnético con un campo no perpendicular ofrece nuevas posibilidades en la fabricación de componentes electrónicos más rápidos y con mayor eficiencia energética, fundamentales para el avance de tecnologías de información cuántica y computación. Además, la complejidad introducida por los ángulos de inclinación más grandes y el comportamiento no lineal de las interacciones debe ser cuidadosamente considerada en aplicaciones prácticas, ya que puede afectar la estabilidad y el rendimiento de los dispositivos.

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