Dinámicas bajo campos AC de puntos cuánticos y uniones Josephson para tecnologías cuánticas

Resumen

Esta tesis trata sobre la física cuánticas de las nanoestructuras, sistemas físicos fabricados por debajo de una micra que permiten investigar y aprovechar las propiedades disponibles a esos tamaños. Nos centraremos, en particular, en uniones Josephson hechas a partir de materiales híbridos —es decir, fabricados tanto con materiales superconductores como semiconductores—, en sistemas de puntos cuánticos y es sistemas con ambos elementos: contactos superconductores y puntos cuánticos semiconductores. Se trata en ambos casos de sistemas ampliamente estudiados y muy conocidos, que comparten una propiedad clave: son sistemas intrínsecamente cuánticos. Por un lado, las uniones Josephson dan cabida a varios procesos cuánticos a escalas macroscópicas —en términos relativos—, incluyendo procesos de interferencia y el efecto túnel. Por otro lado, los sistemas de puntos cuánticos son plataformas ideales para estudiar interacciones electrónicas en sistemas cuánticos, gracias a la repulsión coloumbiana que las caracteriza. La tesis está dividida en tres partes. En la primera se emplea la teoría de transporte cuántico para investigar uniones Josephson a través de puntos cuánticos. Es decir, uniones formadas por dos contactos superconductores unidos a través de un punto cuántico y separados por barreras de tipo túnel. Desarrollamos una teoría del transporte fuera del equilibrio en el régimen de acoplo débil, considerando de manera exacta la interacción coloumbiana entre electrones dentro del punto. En la segunda parte se estudia un sistema similar, uniones Josephson topológicas, pero mediante el uso de métodos semiclásicos. En las uniones topológicas, los modos de Majorana de los contactos se acoplan entre ellos, resultando en el efecto Josephson fraccionario. Una unión topológica sujeta a radiación de radiofrecuencia puede emplearse para detectar este efecto, y por tanto la presencia de modos de Majorana, a través de los escalones de Shapiro. En la tercera parte se analizan sistemas de puntos cuánticos aislados y en particular cadenas hechas de dos y tres puntos cuánticos. Estudiamos la posibilidad de emplear un voltaje periódico en el tiempo (voltajes ac) para manipular estos bits cuánticos de espín. En particular, nos interesa explotar los procesos de interferencia cuántica característicos de este tipo de potenciales periódicos.