ARTÍCULO DESTACADO ENERO-MARZO 2019: Bloqueo de Coulomb en puntos cuánticos bidimensionales

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre enero y marzo de 2019.

Por Mauro Brotons.

El acoplamiento de partículas mediante efecto túnel cuántico entre un estado cuántico confinado y un reservorio fermiónico de estados deslocalizados ha dado lugar a grandes avances en espintrónica y óptica cuántica del estado sólido. Un ejemplo típico de dicho efecto puede encontrarse en un punto cuántico semiconductor separado de un reservorio fermiónico por medio de una barrera de potencial que es susceptible de ser franqueada cuánticamente por efecto túnel. En esta configuración, el acoplamiento túnel entre ambos sistemas puede controlarse de distintas maneras: (i) ajustando la diferencia entre el nivel energético del punto cuántico y el nivel de Fermi del reservorio de fermiones, o (ii) cambiando la anchura y/o altura de la barrera. (i) hace posible el bloqueo de Coulomb, mecanismo mediante el cual electrones o huecos pueden ser introducidos uno a uno desde el reservorio al punto cuántico [1, 2]. Con una barrera de gran espesor, los portadores introducidos en el punto cuántico se encuentran en el régimen de acoplamiento débil, es decir, prácticamente aislados de las posibles interacciones con el mar fermiónico [3, 4]. Un solo espín aislado de su entorno mesoscópico representa un bit cuántico que puede ser entrelazado con un espín vecino, un fotón, o un espín lejano, con potenciales aplicaciones en computación cuántica o en tecnologías de la comunicación [1, 2]. Por el contrario, una barrera de pequeño espesor da lugar a un acoplamiento fuerte entre el espín localizado y el mar fermiónico. A muy bajas temperaturas y acoplamientos lo suficientemente fuertes, el espín localizado en el punto cuántico forma un estado singlete coherente (Kondo) con el reservorio fermiónico [5].

Las heteroestructuras van der Waals, que se pueden obtener al combinar capas atómicas de materiales con propiedades bien diferenciadas (semiconductoras, aislantes, semimetálicas, ferromagnéticas…), ofrecen nuevas perspectivas para el diseño y optimización de espines coherentes confinados, dispositivos de efecto túnel de espesor atómico o reservorios fermiónicos más allá de la densidad de estados plana convencional. Para explotar el potencial de dichas estructuras van der Waals en dispositivos cuánticos es necesaria la presencia de puntos cuánticos capaces de retener un único electrón (o hueco), y cuya energía pueda ser controlada a través de un voltaje de puerta. Sin embargo, aunque el mecanismo de bloqueo de Coulomb ya se ha observado en puntos cuánticos electroestáticamente definidos en dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) de espesor atómico [6, 7], no se ha había conseguido, hasta ahora, controlar el trasvase de un único electrón desde un reservorio fermiónico hasta estos puntos cuánticos bidimensionales (2D).

En el artículo del trimestre [8], los autores presentan una heteroestructura van der Waals con un acoplamiento túnel fuerte entre en un punto cuántico en un semiconductor 2D y un reservorio de Fermiones sintonizable mediante la aplicación de un voltaje de puerta. El dispositivo, representado esquemáticamente en la Figura 1(a), consiste en un punto cuántico en seleniuro de tungsteno (WSe2) monocapa separado de un reservorio de fermiones en grafeno de pocas capas mediante una barrera túnel formada por una única capa de nitruro de boro hexagonal (hBN). El voltaje de puerta puede ser aplicado entre el electrodo de grafeno y un contacto en la parte inferior del dispositivo. De manera única, mediante bloqueo de Coulomb y como consecuencia del reservorio de fermiones sintonizable en el grafeno, los autores demuestran la introducción determinística de tanto un único electrón como un único hueco en el punto cuántico por medio de medidas de espectroscopía óptica (fotoluminiscencia) a ~ 4 K (Figura 1(b)).

Por otro lado, el espesor subnanométrico de la barrera túnel de hBN da lugar a un acoplamiento túnel muy fuerte en el que los portadores que atraviesan la barrera túnel conservan el espín. Dicho acoplamiento fuerte entre el punto cuántico y el reservorio de fermiones resulta en la formación de excitones híbridos (XH), excitones compuestos por una superposición de estados localizados en el punto cuántico y estados deslocalizados en el mar fermiónico.

Finalmente, la posibilidad de introducir un solo electrón o hueco en el punto cuántico ha permitido a los autores estudiar por primera vez los excitones cargados (negativo (X1-) y positivo (X1+)) de un punto cuántico en WSe2 monocapa. Los resultados revelan que, de manera similar a los excitones neutros (X0), los excitones cargados en estos puntos cuánticos presentan valores del factor de Landé (factor g) muy grandes, lo que sugiere que tanto el espín como el valle desempeñan un papel importante en el caso de espines individuales en puntos cuánticos de WSe2. Estos resultados representan los fundamentos para el diseño y optimización de la próxima generación de dispositivos que permita investigar tanto nuevos regímenes del efecto Kondo como bits cuánticos aislados en heteroestructuras van der Waals.

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Figura 1. (a) Representación esquemática del dispositivo van der Waals sintonizable en carga utilizado en el trabajo. (b) Evolución de la fotoluminscencia de un punto cuántico en WSe2 monocapa en función del voltaje aplicado. El recuadro de la parte inferior derecha muestra un diagrama que representa los niveles energéticos de los electrones y la ocupación de los huecos para los estados excitónicos X1-, X0 and X1+ puros del punto cuántico. ΔFSS representa la diferencia de energía del doblete observado para el estado X0 debido al desdoblamiento de estructura fina.

1. R. Hanson, L. P. Kouwenhoven, J. R. Petta, S. Tarucha, L. M. K. Vandersypen, Spins in few-electron quantum dots, Rev. Mod. Phys. 79, 1217-1265 (2007).

2. R. J. Warburton, Single spins in self-assembled quantum dots, Nature Materials 12, 483-493 (2013).

3. S. De Franceschi, S. Sasaki, J. M. Elzerman, W. G. van der Wiel, S. Tarucha, L. P. Kouwenhoven, Electron cotunneling in a semiconductor quantum dot, Phys. Rev. Lett. 86, 878-881 (2001).

4. J. M. Smith, P. A. Dalgarno, R. J. Warburton, A. O. Govorov, K. Karrai, B. D. Gerardot, P. M. Petroff, Voltage control of the spin dynamics of an exciton in a semiconductor quantum dot, Phys. Rev. Lett. 94, 197402 (2005).

5. S. M. Cronenwett, T. H. Oosterkamp, L. P. Kouwenhoven, A tunable Kondo effect in quantum dots, Science 281, 540-544 (1998).

6. X.-X. Song, D. Liu, V. Mosallanejad, J. You, T.-Y. Han, D.-T. Chen, H.-O. Li, G. Cao, M. Xiao, G.-C. Guoa, G.-P. Guo, A gate defined quantum dot on the two-dimensional transition metal dichalcogenide semiconductor WSe2, Nanoscale 7, 16867-16873 (2015).

7. K. Wang, K. De Greve, L. A. Jauregui, A. Sushko, A. High, Y. Zhou, G. Scuri, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. D. Lukin, H. Park, P. Kim, Electrical control of charged carriers and excitons in atomically thin materials, Nature Nanotechnol., 13, 128-132 (2018).

8. M. Brotons-Gisbert, A. Branny, S. Kumar, R. Picard, R. Proux, M. Gray, K. S. Burch, K. Watanabe, T. Taniguchi, B. D. Gerardot, Coulomb blockade in an atomically thin quantum dot coupled to a tunable Fermi reservoir, Nature Nanotechnol. 1 (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-019-0402-5