Estudio del espectro energético y óptico de estructuras ahuecadas en forma de anillo bajo la influencia de campos externos

Abstract

En el presente trabajo se evaluaron las propiedades electrónicas, ópticas y térmicas de estructuras moleculares fuertemente confinadas en nanoestructuras con forma de anillo, interactuando con campos y/o ondas electromagnéticas externas. Se consideró un modelo formado por un complejo molecular D_2^+ ligado a un anillo cuántico (QR) semiconductor de GaAs-Ga_0.7 Al_0.3 As, el cual se asemeja a estructuras reales obtenidas mediante técnicas de crecimiento y recubrimiento a escala nano, como el crecimiento por goteo epitaxial. Para este modelo se construyó el hamiltoniano considerando la acción de campos externos: campo magnético, campo eléctrico y campo láser. El Hamiltoniano fue resuelto bajo las aproximaciones: adiabática, masa efectiva y Floquet, utilizando la técnica de elementos finitos para diferentes configuraciones geométricas y variaciones en los campos electromagnéticos. Los resultados mostraron un comportamiento similar al de complejos hidrogenoides H_2^+ para diferentes posiciones relativas entre los donadores. Además, para ciertas posiciones de los donadores, puede existir una disociación (D+D^+) o ionización (D^++D^++e^-) del complejo molecular D_2^+. Se evidencio que el efecto de las donadoras puede ser modificado bajo el efecto de un campo láser intenso, alterando la energía de enlace y la capacidad de disociación o ionización del sistema. Por otra parte, se utilizaron los autovalores y autofunciones del sistema para calcular las propiedades ópticas de dos niveles y las propiedades térmicas (considerando una nube electrónica que se comporta como un gas de Boltzmann) para diferentes configuraciones. Se encontró que existe una transparencia óptica para ciertos valores del campo magnético aplicado, asociados al efecto Aharonov Bohm. Adicionalmente, la entropía, la capacidad calorífica y la energía interna calculadas, mostraron una fuerte dependencia de la posición relativa de los donadores y de los campos externos. Un segundo sistema formado por un electrón confinado en dos QRs acoplados lateralmente sometido a campos electromagnéticos externos fue considerado. El Hamiltoniano de este sistema fue propuesto y resuelto de forma análoga al primer sistema. Se determinó que el sistema se comporta de forma análoga a un complejo molecular D_2^+ cuyo enlace puede ser controlado, modificando la separación entre los QRs. Adicionalmente se calcularon las propiedades térmicas y ópticas de tres niveles bajo la presencia de un campo magnético uniforme externo. Tanto la entropía como la capacidad calorífica varían en relación al efecto Aharonov Bohm; también, estas oscilaciones generan zonas donde el sistema presenta transparencia óptica para cualquier transición entre estados. Los QRs presentaron un comportamiento similar al de un material diamagnético como lo evidencia la curva de magnetización calculada. Finalmente, bajo un campo eléctrico externo, el potencial eléctrico compite con el potencial de confinamiento, posibilitando que el electrón pueda tunelar entre distintas zonas de los QRs, evidenciado por el comportamiento de la entropía. Estos resultados permitieron determinar la similitud de estos sistemas a nivel nano con sistemas a nivel atómico, donde, la posibilidad de manipular sus configuraciones geométricas o aplicar campos externos permiten a los QRs exhibir diferencias en sus propiedades térmicas, magnéticas y ópticas. (Texto tomado de la fuente)

In the present work were assessed the electronic, optical and thermal properties of the molecular structures strongly confined inside to ring shape nanostructures, interacting with waves electromagnetic waves and fields. A model formed by a molecular complex D_2^+ bounded to semiconductor GaAs-Ga_0.7 Al_0.3 As quantum ring (QR) was considered, resembling to real structures obtained through droplet epitaxial growth. For this model a Hamiltonian was proposed taking into a count the presences of external fields: magnetic, electric and laser field. The Hamiltonian was solved under the adiabatic, effective mass and Floquet approximations, using the finite elements method on different both, geometric and electromagnetic settings. Results shows a similar behavior between model and molecular hydrogen complexes when the donor’s position change. Also, for some donor’s position settings, a dissociation (D+D^+) or ionization (D^++D^++e^-) process was evidenced. This donor’s effect can be modified by an intense laser field, changing the binding energy and the dissociation and ionization capacity. On the other hand, eigenvalues and eigenfunctions were used to calculate two level optical and thermal properties (considering an electronic cloud that behaves like a Boltzmann gas). An optical transparency to determined magnetic field values regarding Aharonov Bohm effect was founded. Also, entropy, heat capacity an internal energy shows a strong dependence of both donor’s position and external fields. A second system formed by only one electron confined in two QRs laterally coupled immersed in electromagnetic fields was considered. A Hamiltonian was proposed and solved similar to first system model. An analogous behavior from this system with molecular complex D_2^+ was evidenced, but, in this case, the binding energy can be controlled by the changes in spacing between QRs. Also, thermal and tree level optical properties under the effect of the magnetic field were evaluated. Both, entropy and heat capacity oscillate regarding to Aharonov Bohm effect, these oscillations generate optical transparency zones to different state transitions. The QRs showed a similar behavior to diamagnetic material regarding to magnetization curve. Finally, under electric field, the electric potential competes with the confinement potential, allowing the electron’s tunneling between different zones of the QRs. Entropy curves reproduce this behavior. These results allowing determinate the similar properties between the systems proposed with molecular systems like a molecular hydrogen complex. But, the systems proposed have an advantage regard to possibility of manipulate both geometrical and electromagnetic field settings to control thermal, magnetic and optical properties.