Circuítos electrónicos basados en puntos cuánticos integrados en nanohilos

08 Marzo 2017

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Cada día que pasa, la nanotecnología nos abre nuevos caminos que antes eran, sencillamente, impensables. Hoy en día ya se trabaja en nuevos sistemas que involucran estos fenómenos utilizando, por ejemplo, puntos cuánticos. Los puntos cuánticos (QDs, del inglés, quantum dots) son materiales cero-dimensionales (0-D), es decir, materiales donde todas sus dimensiones están comprendidas en la escala nanométrica, lo que conlleva la discretización en sus propiedades y entre ellas la de los niveles de energía de las bandas de conducción y valencia responsables de las propiedades electrónicas. Si hablamos de puntos cuánticos semiconductores este efecto tiene gran importancia. Como en todo semiconductor, vamos a poder excitar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, que al recombinarse con un hueco de la banda de valencia para volver a su estado de mínima energía, podrán originar fotones de luz.

Jaime Dolado Fernández

Pero hay un problema, y es que no es nada sencillo seleccionar un QD con las propiedades de tamaño necesarias para que emita el fotón de luz con la energía que nosotros queremos. Hay que recordar que el tamaño influye en ello y que ¡estamos hablando de partículas en las que todas sus dimensiones están entre 1 y 10 nm! (no en vano, a los QDs también se les conoce como “átomos artificiales”). Un método para lograrlo es sintetizar este QD dentro de un nanohilo (NW, del inglés, nanowire) mediante la técnica de crecimiento MOVPE (del inglés, Metalorganic Vapour Phase Epitaxy). De esta manera podemos obtener un único QD con las dimesiones necesarias y con la ventaja de que al estár dentro del NW, éste podrá actuar además como guía de onda para que el fotón emitido por el QD sea dirigido en la dirección que nosotros deseamos.

Figura 1.- Esquema de un QD en un NW InAsP/InP. Imagen extraída del artículo Nanowires for Quantum Optics

 

Figura 2.- Imagen SEM de NW de InP con un único QD de InAsP en el medio. Imagen extraída del artículo “Bring single-photon sources in botton-up tailored nanowires”

En un artículo publicado en la revista Nature Communications, Michael E. Reimer y colaboradores, de la Universidad de Sheffield, han desarrollado esta técnica obtenidendo los nanohilos mostrados en la figura 2. En dicho artículo los autores muestran su capacidad de lograr la eficiencia cercana a la unidad de la luz de extracción. Capacidad que es necesaria para obtener una verdadera fuente de fotón único. El método, muy prometedor por cierto, para llegar a este tipo de eficiencias elevadas se basa en la incorporación de emisores de un único fotón en las guías de ondas fotónicas basadas en una forma cónica de la guía, en este caso del nanohilo. Además, en este tipo de sistemas fotónicos la posición del punto cuantico como emisor es bastante importante, hecho que los autores han solucionado mediante el método de crecimiento utilizado ya que han conseguido disponerlo perfectamente posicionado en el eje de la guía de ondas del nanohilo. En comparación con los puntos cuánticos crecidos sobre nanohilos en los que éstos no tienen la función de guía de ondas, se demuestra una mejora en el flujo de fotones 24 veces superior, lo que corresponde a una eficiencia de extracción de luz del 42%. Tales tasas de eficiencia en estos nanohilos unidimensionales son muy prometedoras para poder transferir información cuántica a través de grandes distancias entre q-bits. También pueden ser incorporados en circuitos más sencillo como el mostrado en la siguiente figura.

Figura 3 .- Esquema de un circuito cuántico, donde se indican sus diferentes componentes.

Escalando estos “sencillos” circuitos podrían formarse chips cuánticos basados en la luz y así poder llegar a obtenerse una plataforma que ofrecería posibilidades computacionales extraordinarias.

En el siguiente vídeo se explica de forma sencilla que es un q-bit y el funcionamiento de estos circuitos.

Aunque todavía no estamos seguros de cuándo lograremos tecnologías como la de la computación cuántica aquí mencionada, estos circuitos son un ejemplo más de aquello que dijo Feynman en aquella conferencia del 29 de Diciembre de 1959: “There is plenty of room at the bottom”.

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