Espintrónica en puntos cuánticos. Lilia Meza Montes Instituto de Física Luis Rivera Terrazas B. Universidad Autónoma de Puebla

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1 Espintrónica en puntos cuánticos Lilia Meza Montes Instituto de Física Luis Rivera Terrazas B. Universidad Autónoma de Puebla

2 Contenido Motivación Puntos Cuánticos nanolitográficos Fenómenos dependientes del tiempo Perspectivas Puntos Cuánticos Autoensamblados -Puntos InAs/GaAs -Puntos de GaN/AlN Perspectivas

3 Motivación Primer transistor 1947 Brattain, Bardeeen Shockley Itanium, x10 9 transistores/cm 2 Fenómenos a escala nanoscópica Nuevos dispositivos (miniaturización) Estudio de la evolución temporal Espintrónica, computación cuántica, teoría de la información

4 Evolución en el tiempo y Ley de Moore

5 Bohr y Pauli: el espín

6 El electrón Es una partícula elemental con diversas propiedades intrínsecas Masa Carga etc. Espín no es rotación en su propio eje como pequeño imán Valor semientero (fermiones) La electrónica actual: basada en la carga del electrón Basada en espín: espintrónica

7 Puntos cuánticos Nanolitográficos Nanopartícula Autoensamblados Acústicos verticales Electrones confinados en región nanoscópica ~ nm Niveles de energía cuantizados Átomos artificiales

8 Heterouniones semiconductoras z GaAs AlGaAs E V

9 Puntos cuánticos nanolitográficos

10 Gas Bidimensional de electrones z E F E Si + Electrones confinados: : 2DEG

11 Átom Un solo PC Molécula PC acoplados

12 Gas bidimensional + barreras magnéticas Sobre un gas bidimensional se coloca una cinta magnética. Genera un potencial efectivo. Cambiando la dirección del campo magnético podemos generar pozos o barreras. Anchos/separaciones de la cinta controla el ancho de barreras/pozos. Caso estacionario: A. Matulis, F. M. Peeters and P. Vasilopoulos, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 1518.

13 Potencial efectivo Sustituyendo, con condiciones iniciales: paquete gaussiano incidiendo por la izquierda ( ) ( ) ), (, t x t i t x q x A c e m dx d m ψ ψ = + + h h h h ( ) 0, 0),, ( = = = Ψ t x e t y x iqy ψ ( ) ( ) = q x A l m x V B h La ecuación es separable. En el eje y el movimiento es libre. Se reduce a un problema 1D Resolvemos con método de elementos finitos. El potencial efectivo 2 0 ) ( 2 0), ( x x bk e t x = = ψ

14 Resultados. Gas bidimensional+ barreras magnéticas B 0 = 4T m* =0.067 (GaAs) l B2 =49.3 nm 2 d=l B =7.02 nm L=3l B = nm q = 0 Energía en unidades de ω c

15 q = q = 0.09 q (nm -1 ) E (mev) t (ps) 0.027x

16 Perspectivas Evolución temporal de sistemas dos PC acoplados con dos partículas incluyendo espín e interacciones, por ejemplo, espín-red. Una partícula con geometrías complejas, campos dependientes del tiempo.

17 Puntos cuánticos autoensamblados

18 Motivación Confinamiento en 3D Niveles cuantizados: modulados con tamaño y composición del punto Estudio de interacciones Aplicaciones: Optoelectrónica, espintrónica (información cuántica)

19 Puntos cuánticos autoensamblados Modo Stranski-Krastanow hornos 1 ML InAs ~1.7 ML InAs >2 ML InAs S. Lyon, Dept. of Elect. Eng.,

20 Redes tensionadas Nucleación de los puntos ~ 1.5 monocapas 2-3 nm nm nm Puntos completos ~ monocapas

21 Puntos embebidos en una matriz Punto/Matriz InAs/GaAs (ε 0 =7%) InGaAs/GaAs GaN/AlN Etc. ΔV =0.428 ev. Modelo: Pozo cuántico de altura ΔV (diferencia de bordes de banda) Una banda Elementos Finitos

22 Puntos de InAs Estructura blenda de zinc (cúbica) Pirámides truncadas cuadradas Los más estudiados Ventajas: - Fuentes de alta eficiencia de un solo fotón - Tiempos de coherencia largos - Compatibilidad con electrónica estándar z Bruls et al., Apl. Phys. A 01 Modelo para celda solar Oshima et al. APL 08

23 Densidad de probabilidad: Pirámide truncada E 0 E 1 ligado degeneración E 2 E 3 Longitud de lado l= 6 nm, h = 1.5 nm Densidad de probabilidad en el plano z=0.75 (no normalizada)

24 Espectro: un solo estado ligado Pirámide completa Pirámide Truncada (2) (2) Capa de mojado: 1 ML

25 Gradiente de concentración de In Observado experimentalmente. Modelo: Las cantidades físicas dependen de la concentración linealmente 1 x0 A( z) AGaAs + ( AGaAs AInAs) z + x h = 0 z: altura x 0 : concentración inicial en la base, incrementa hasta llegar a 1 en la punta Sin deformación.

26 Niveles de energía Sin capa de mojado Altura: 6 nm Base: 12 nm In x Ga 1-x As x= fracción de In en la base, incrementa con altura GaAs InAs

27 Puntos de GaN en matriz de AlN Estructura wurzita Pirámides truncadas hexagonales Aleaciones AlGaN, InGaN: espectro infrarrojo-ultra Violeta Ahorro de energía en iluminación de baja intensidad Iluminación en general (pantallas, semáforos, etc.) Laser blu-ray Mariette et al., APL 99

28 Densidad de probabilidad: Pirámide hexagonal truncada E 0 E 1 E 2 E 3 Diagonal mayor l= 17 nm, h = 4.1 nm Densidad de probabilidad en el plano z=2 (no normalizada) Todos ligados

29 Espectro: los cuatro primeros estados son ligados GaN

30 Potencial de deformación InAs/GaAs Truncada Hidrostática Biaxial

31 Perspectivas Estados de portadores Incluir potencial de deformación y potencial piezoeléctrico Estados de huecos. Propiedades ópticas (Espectros de fotoluminiscencia) Propiedades estructurales Dinámica molecular Simulación de HREM (High Resolution Electron Microscopy).

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