Un trabajo explica los saltos cuánticos en los ‘ladrillos’ de los nanocircuitos

Fecha de noticia: 
Jueves, 29 agosto, 2013

Un equipo internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha elaborado un trabajo que describe el comportamiento de los electrones en los contactos puntuales cuánticos, canales a partir de los cuales se construyen prácticamente todos los nanocircuitos de semiconductores. El trabajo, publicado en el último número de Nature, aporta luz a un problema fundamental en nanoelectrónica.

Los contactos puntuales cuánticos son canales quasi-unidimensionales por los que circulan los electrones mediante la aplicación de voltajes. En estos sistemas se observan efectos cuánticos (cuantización) en la conductancia, es decir, en el flujo de la corriente eléctrica. “A medida que el canal se cierra o que el voltaje es más negativo, la conductancia disminuye, pero no lo hace de manera continua, sino a saltos. Estos saltos cuánticos revelan la naturaleza ondulatoria del electrón”, explica Ramón Aguado, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.

Cuando el último canal se está cerrando y ya no se esperan más saltos cuánticos, se observa otro pequeño salto por debajo de la conductancia debido a un solo modo ondulatorio (por debajo del valor mínimo que puede tener un solo canal cuántico 2e2/h, donde e es la carga del electrón y h la constante de Planck). Estos saltos anómalos por debajo de 2e2/h se observan básicamente en todos los dispositivos en los que hay contactos puntuales cuánticos y en una gran variedad de materiales, desde el arseniuro de galio hasta el grafeno.

“Estas anomalías constituían uno de los problemas más relevantes en nanoelectrónica y llevaban sin entenderse más de 25 años. En nuestro trabajo demostramos que están originadas por estados localizados del electrón, que surgen como consecuencia de interferencias cuánticas de la onda electrónica consigo misma. En particular, las anomalías de la conductancia están causadas por la repulsión entre los electrones debido a estos estados localizados”, detalla Aguado.

Según el investigador del CSIC, mediante experimentos muy detallados, en los que se cambia la longitud del canal en unos pocos nanómetros y se miden pequeñas corrientes electrónicas a temperaturas por debajo de 100 milésimas de un grado Kelvin, se demuestra que estos estados localizados surgen de manera controlada e interaccionan entre sí, en concordancia con el marco teórico que han desarrollado.

Los electrones, por tanto, interactúan entre sí en situaciones en las que los científicos creían que se comportaban como ondas independientes. “Más interesante aún es que estas anomalías implican que, en unas condiciones en las que creíamos que el electrón estaba muy deslocalizado y actuaba como una onda, en realidad estaba realmente localizado en el canal”, agrega el investigador del CSIC.

Asimismo, el estudio demuestra que los canales usados para construir nanocircuitos más complejos, destinados a la computación cuántica, tienen espín, una propiedad de los electrones que se manifiesta en dispositivos extremadamente pequeños como estos, que requieren de la mecánica cuántica para ser descritos.

“Esto significa que estos canales pueden llegar a cambiar completamente las propiedades de sistemas que creíamos que entendíamos bien. Debido a que los electrones interactúan entre sí, este estado localizado tiene bien definido su espín electrónico y se comporta como un momento magnético. Por eso, al bajar la temperatura, el sistema presenta física de Kondo. Este efecto es muy típico en metales con impurezas magnéticas”, resalta Aguado. 

imagen de a) Arriba: Imagen de microscopía electrónica de un contacto puntual cuántico. Una diferencia de voltaje  (Vsd) obliga a los electrones a fluir en la dirección de la flecha amarilla a través de un canal de anchura nanométrica de longitud Leff. La anchura del canal (de tamaño nanométrico) se puede modificar aplicando voltajes negativos (Vg1,Vg2) en los electrodos que forman el canal (zonas grises). Centro: Como resultado de estos electrodos, los electrones sienten un potencial que les confina en la dirección y una barrera túnel en la dirección de movimiento x. Abajo: Cuando un solo modo ondulatorio cabe en el canal, la onda electrónica interfiere consigo misma y se crean estados localizados.   b) A medida que el canal se cierra o que el voltaje del electrodo Vg es más negativo, la conductancia disminuye, pero no lo hace de manera continua, sino a saltos.   c) A medida que la temperatura disminuye, la conductancia en la zona de la anomalía presenta picos cerca de Vsd=0.
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Referencia científica: 
M. J. Iqbal, Roi Levy, E. J. Koop, J. B. Dekker, J. P. de Jong, J. H. M. van der Velde, D. Reuter, A. D. Wieck, R. Aguado, Yigal Meir y C. H. van der Wal. Odd and even Kondo effects from emergent localization in quantum point contacts. Nature. DOI:10.1038/nature1249.

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