Puntos cuánticos como termómetros para electrones en semiconductores

Por Francisco R. Villatoro, el 4 septiembre, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science • Termodinámica

Dibujo20140904 normalized contrast two transitions under magnetic field with two temperatures - phys rev applied

Un objeto en contacto con un baño térmico se termaliza (estabiliza su temperatura a la del baño térmico). Pero hay excepciones cuánticas, como los electrones en un semiconductor inmerso en un baño térmico con una temperatura inferior a 1 K, que pueden estar más calientes. ¿Cómo se puede medir la temperatura de estos electrones para demostrar este comportamiento tan sorprendente? Se publican dos artículos en Physical Review Applied que usan como termómetro un punto cuántico para medir la temperatura de los electrones en un semiconductor de arseniuro de galio (GaAs).

Martin Kroner (ETH Zürich, Suiza) y sus colegas han medido una temperatura de 130 ± 7 mK para los electrones cuando el GaAs está enfriado a 7 mK. Alexander Högele (Univ. Ludwig Maximilian de Munich, Alemania) y sus colegas han medido 400 ± 50 mK para los electrones cuando el GaAs está enfriado a 250 mK. Los dos grupos de investigadores confirman la predicción teórica: Los electrones en el punto cuántico tienen una temperatura mayor que la temperatura del baño térmico en el que se encuentra sumergido.

Las leyes de la termodinámica nos reservan muchas sorpresas en los sistemas cuánticos y ultrafríos. Los dos artículos técnicos son Florian Haupt, Atac Imamoglu, Martin Kroner, “Single Quantum Dot as an Optical Thermometer for Millikelvin Temperatures,” Phys. Rev. Applied 2: 024001, 1 Aug 2014, y F. Seilmeier, M. Hauck, E. Schubert, G. J. Schinner, S. E. Beavan, A. Högele, “Optical Thermometry of an Electron Reservoir Coupled to a Single Quantum Dot in the Millikelvin Range,” Phys. Rev. Applied 2: 024002, 1 Aug 2014. Un resumen en Katherine Kornei, “Synopsis: Measuring Millikelvin Temperatures with Quantum Dots,” Physics, 1 Aug 2014.

Dibujo20140904 four level system in the charged quantum dot with magnetic field applied - phys rev applied

La energía de los electrones (y huecos) en un punto cuántico está cuantizada y usando un láser se puede inducir la formación de un excitón (cuasipartícula formada por electrones y huecos) que absorbe y emite luz a frecuencias muy precisas. Los dos grupos de investigadores han usado excitones cargados formados por dos electrones y un hueco formados dentro del punto cuántico. Por efecto Zeeman, al aplicar un campo magnético, los dos estados de espín de estos excitones cargados se separan en dos poblaciones; la separación depende de la temperatura, luego se puede usar como termómetro para la población de electrones en la que se encuentra el excitón.

Dibujo20140904 power broadening of resonantly driven quantum dot transition and rabi energy - phys rev applied

La aplicación práctica más obvia de estos trabajos de investigación básica es el desarrollo de termómetros para temperaturas de cientos de milikelvin. Hay otras tecnologías alternativas, pero usar semiconductores como termómetros tiene la ventaja de que su pequeño tamaño permite que puedan ser integrados fácilmente en otros dispositivos que midan de forma simultánea otras propiedades físicas.

Pero estos trabajos no me han llamado la atención por sus aplicaciones potenciales. Me han resultado curiosos porque implican una violación del teorema de equipartición y me sirven para recordar que su validez requiere que la energía térmica (kBT) sea mucho mayor que la diferencia entre los niveles de energía cuánticos del sistema. Lo habitual cuando se viola esta condición es que el sistema se “congele” (su capacidad calórica sea menor que la predicha  por la equipartición); un ejemplo bien conocido es la catástrofe ultravioleta que llevó a Albert Einstein a proponer la existencia de los fotones. Sin embargo, los electrones en un semiconductor pueden violar la condición “calentándose” (siendo su capacidad calórica mayor que la predicha por equipartición). La termodinámica de los semiconductores a baja temperatura es realmente sugerente.

Coda final. Esta entrada participa en la Edición LVIdel Carnaval de la Física cuyo blog anfitrión es High Ability Dimension.



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