Cable cuántico

En física mesoscópica , un hilo cuántico es un hilo conductor eléctrico en el que los efectos cuánticos influyen en las propiedades de transporte. Por lo general, estos efectos aparecen en la dimensión de los nanómetros, por lo que también se les denomina nanohilos .

Si el diámetro de un cable es suficientemente pequeño, los electrones experimentarán confinamiento cuántico en la dirección transversal. Como resultado, su energía transversal estará limitada a una serie de valores discretos. Una consecuencia de esta cuantización es que la fórmula clásica para calcular la resistencia eléctrica de un cable,

${\displaystyle R=\rho {\frac {l}{A}},}$

no es válido para cables cuánticos (donde${\displaystyle \rho }$es la resistividad del material ,${\displaystyle l}$es la longitud, y${\displaystyle A}$es el área de la sección transversal del alambre).

En cambio, para calcular la resistencia de un cable, es necesario realizar un cálculo exacto de las energías transversales de los electrones confinados. A partir de la cuantización de la energía electrónica, se observa que la conductancia eléctrica (la inversa de la resistencia) está cuantizada en múltiplos de${\displaystyle 2e^{2}/h}$, dónde${\displaystyle e}$es la carga del electrón y${\displaystyle h}$es la constante de Planck . El factor de dos surge de la degeneración de espín . Un único canal cuántico balístico (es decir, sin dispersión interna) tiene una conductancia igual a este cuanto de conductancia . La conductancia es menor que este valor en presencia de dispersión interna. ^{[ 1 ]}

La importancia de la cuantización es inversamente proporcional al diámetro del nanocable para un material dado. De un material a otro, depende de las propiedades electrónicas, especialmente de la masa efectiva de los electrones. Físicamente, esto significa que dependerá de cómo interactúan los electrones de conducción con los átomos dentro de un material dado. En la práctica, los semiconductores pueden mostrar una clara cuantización de la conductancia para grandes dimensiones transversales del nanocable (~100  nm) porque los modos electrónicos debido al confinamiento se extienden espacialmente. Como resultado, sus longitudes de onda de Fermi son grandes y, por lo tanto, tienen bajas separaciones de energía. Esto significa que solo se pueden resolver a temperaturas criogénicas (a pocos grados del cero absoluto ) donde la energía térmica es menor que la separación de energía entre modos.

En los metales, la cuantización correspondiente a los estados de energía más bajos solo se observa en los hilos atómicos. Debido a que su longitud de onda es extremadamente pequeña, presentan una gran separación de energía, lo que permite observar la cuantización de la resistencia incluso a temperatura ambiente.

El nanotubo de carbono es un ejemplo de un cable cuántico. Un nanotubo de carbono metálico de pared simple que es lo suficientemente corto como para no exhibir dispersión interna ( transporte balístico ) tiene una conductancia que se aproxima a dos veces la conductancia cuántica ,${\displaystyle 2e^{2}/h}$El factor de dos surge porque los nanotubos de carbono tienen dos canales espaciales. ^{[ 2 ]}

La estructura de un nanotubo afecta fuertemente sus propiedades eléctricas. Para un nanotubo ( n , m ) dado, si n = m , el nanotubo es metálico; si n − m es un múltiplo de 3, entonces el nanotubo es semiconductor con una banda prohibida muy pequeña; de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado . Por lo tanto, todos los nanotubos tipo sillón ( n = m ) son metálicos, y los nanotubos (6,4), (9,1), etc., son semiconductores. ^{[ 3 ]}

• cuanto de conductancia
• Punto cuántico
• Contacto puntual cuántico
• Pozo cuántico