La geometría del potencial que confina un electrón en un punto cuántico

Por Francisco R. Villatoro, el 25 mayo, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 8

Un electrón confinado en un punto cuántico se comporta como un cúbit gracias a los dos niveles energéticos de su espín. Para su uso en futuros ordenadores cuánticos hay que conocer la función de onda de dicho electrón, lo que a su vez requiere conocer la forma del potencial que lo confina. Se publica en Physical Review Letters una técnica para medir dicho potencial para un único electrón en un punto cuántico de arseniuro de galio (GaAs). Se ha observado un potencial con forma elipsoidal muy aplanada en la dirección vertical, 6.3 ± 0.3 nm; en el plano horizontal las dimensiones del elipsoide son 2.1 ± 0.3 µm y 3.2 ± 0.3 µm. El logro de Leon Camenzind (Universidad de Basilea, Suiza) y sus colegas permitirá diseñar campos eléctricos y magnéticos que manipulen el estado del espín del electrón confinado para uso como cúbit.

Un punto cuántico (QD, Quantum Dot) es como un «átomo artificial» que confina electrones en tres dimensiones. Se suele aproximar el potencial por un perfil parabólico; sin embargo, los estados energéticos medidos difieren de los predichos para un oscilador armónico. Para poder explorar la forma exacta del potencial se puede usar el cambio en los niveles energéticos para un único electrón confinado cuando se le somete a campos magnéticos que pueden cambiar en cualquier dirección del espacio. Camenzind y sus colegas lo han logrado con un punto cuántico fabricado en una heteroestructura GaAs/AlGaAs; en la interfaz se forma un gas bidimensional de electrones (2DEG, 2D Electron Gas), que se mueven libremente en el plano x-y, pero que está fuertemente confinado en el eje z. Bajo las condiciones adecuadas se confina un único electrón en el punto cuántico. Aplicando campos magnéticos variables en las direcciones de los ejes x e y, se puede usar la espectroscopia de puerta pulsada para medir su estado energético.

Los artículos son Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, …, Dominik M. Zumbühl, “Spectroscopy of Quantum Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields,” Physical Review Letters 122: 207701 (22 May 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.207701arXiv:1804.00162 [cond-mat.mes-hall] (31 Mar 2018); Peter Stano, …, Dominik Zumbühl, Daniel Loss, “Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot,” Physical Review B 99: 085308 (22 Feb 2019), doi: 10.1103/PhysRevB.99.085308; también recomiendo leer a Belita Koiller, “3D Map of a Quantum Dot’s Potential,” APS Physics 12: 56 (22 May 2019) [link].

Por cierto, algunos titulares pueden engañar a los legos, como “La geometría de un electrón, determinada por primera vez,” CienciaPlus, Europa Press, 24 may 2019. Se ha medido la geometría del potencial que confina el electrón, que no es lo mismo que medir la “geometría del electrón”. 

Me gustaría destacar que la reconstrucción del potencial del punto cuántico requiere un ajuste de un modelo teórico a los niveles energéticos del electrón observados. No se obtiene un medida directa de la geometría del potencial. Se usa un procedimiento de optimización que parte de un perfil anisótropo inicial, con un forma elipsoidal en el plano x-y, con un perfil triangular en la dirección z; luego se rota el elipsoide y se modifica dicho perfil vertical para ajustar lo mejor posible las observaciones. En este ajuste se usa la forma teórica predicha para los orbitales del electrón confinado en dicho potencial (en la figura el elipsoide rojo (GS) corresponde al estado fundamental, orbital s, mientras que las parejas de elipsoides morados y verdes corresponden al primer estado excitado, orbital p). Por tanto, la forma en el plano x-y del potencial está sesgada por la del perfil inicial usado. Los autores comentan que dicho perfil inicial es físicamente razonable. Pero en un futuro habrá que desarrollar un método de medida directo que desvele la forma geométrica exacta del potencial sin este tipo de restricciones.

Por supuesto, el método de Camenzind y sus colegas permitirá medir la forma del potencial de puntos cuánticos implementados con otros materiales, como heteroestructuras de SiO2/Si, e incluso de sistemas de múltiples puntos cuánticos; de hecho, el próximo paso de estos investigadores será determinar la forma del potencial de un punto cuántico doble, que será una versión modificada de la suma de los potenciales de cada uno por separado. Así se podrán optimizar los campos magnéticos que se pueden usar para controlar el estado de los electrones confinados en múltiples puntos cuánticos como los que se usarán en futuros ordenadores cuánticos que usen esta tecnología. Habrá que estar al tanto de sus avances.



8 Comentarios

  1. Francis, soy un viejo arquitecto y fan de la ciencia pero nada mas. Como lego que soy te hago una pregunta que si te molesta por lo elemental no la contestas.

    Si el electrón no es una “bolita” de materia, ¿puedo concebirlo como energía concentrada en un punto del espacio o es un concepto erróneo tambien, dada la propiedad de no-localidad de un campo cuántico, en este caso el campo-electrón?

    Comprendo que estoy pidiendo un modelo físico del electrón que actualmente no tenemos. Solo te pido tu opinión de como consideras la “ontología” de esa partícula en forma personal.

    1. Carlos, puedes concebir el electrón como “energía concentrada en una región del espacio” pero no en un punto, ya que el electrón tiene un tamaño (que depende de su energía; a mayor energía menor tamaño). El concepto de “partícula puntual” te puede engañar, pues los puntos de volumen cero no existen en la Naturaleza; todo tiene un volumen o un tamaño (y todas las partículas fundamentales tienen un tamaño que depende de su energía).

      1. Conforme a vuestro supuesto: donde queda entonces el Foton ??? → pues los puntos de volumen cero no existen en la Naturaleza; todo tiene un volumen o un tamaño (y todas las partículas fundamentales tienen un tamaño que depende de su energía) o es que únicamente habla para planos 3D ??

        1. No entiendo, JorgeR, a dónde quieres llevar tu hilo argumental. ¿Por qué el fotón no te parece una partícula? Por cierto, la palabra “fotón” significa cosas diferentes en diferentes áreas de la Física. En física de partículas o teoría cuántica de campos es una partícula y, como tal, tiene un tamaño proporcional a su energía, es decir, longitud de onda.

      1. Muchas gracias, Ramiro. No habría hecho mi pregunta si hubiera leído ese artículo de Francis, pero no siempre tengo el tiempo para seguirlo con frecuencia.

        De todos modos, hay textos como “There are no particles, there are only fields” de Art Hobson, que descreen de la existencia de “partículas”, y habrá otros, como dice Francis, que defienden la tesis opuesta. No tuve la oportunidad de leer algo concreto sobre esa postura.

        Es indudable que no tenemos algo “definitivo” o realmente consistente en esos temas tan esotéricos, ni en la textura del espacio-tiempo o la gravedad a nivel cuántico, la materia/energía oscura o el insondable interior del agujero negro.

        Pero me parece fascinante tener esos desafíos. Nos honra intentar afrontarlos.

        1. Carlos:

          Las de partículas existen en la naturaleza, no es cuestión de posturas. Me refiero a que las partículas se pueden detectar y usar para explicar resultados de experimentos (efecto fotoeléctrico), además de haber objetos que (creemos) son verdaderamente puntuales (como quarks y leptones). Para un físico: medir en un experimento = existir.

          Lo que se divulga en los enlaces que compartí es algo diferente y no esotérico, es el hecho de que nuestras teorías fundamentales son teorías (cuánticas) de campos, la física de estos objetos puede (en principio) explicar los experimentos donde se observan partículas; pero el recíproco es demostrablemente falso. Los campos tienen propiedades y efectos medibles que no se pueden explicar usando una teoría que involucre partículas y sus interacciones.

          Os comparto algunos otros enlaces donde Francis explica esto (y el artículo de Hobson) con buen detalle:
          https://francis.naukas.com/2013/12/09/francis-en-trendingciencia-otra-realidad-esta-hecha-de-campos-de-particulas/
          https://francis.naukas.com/2013/12/02/francis-en-trendingciencia-la-realidad-esta-hecha-de-campos-de-particulas/
          https://francis.naukas.com/2013/02/05/las-particulas-que-emiten-los-agujeros-negros-por-radiacion-de-hawking/

          Lo mejor para usted Carlos.

  2. Os felicito de verdad por la vocación, la paciencia y el amor romántico que profesan para con la ciencia y aquel que eventualmente les quiera atender para aprender un poco más. Sin unos fenómenos, especialmente Francis. Enhorabuena gente!!

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