La versatilidad de los materiales semiconductores está demostrada por la gran cantidad de nuevos dispositivos microelectrónicos que se logran día a día. Integrar estos materiales con metales superconductores abre una inmensa cantidad de posibilidades tanto en el campo de los dispositivos como en investigación en física básica, pero existen importantes problemas prácticos a la hora de combinarlos debido a sus diferentes características estructurales y electrónicas. Recientemente1 Jie Xiang y sus colaboradores han logrado superar estas dificultades.
Estos investigadores fabricaron un dispositivo electrónico (ver figura 1.a) hecho por un nanocable semiconductor, cuyo centro es de germanio y esta cubierto por silicio, con contactos de aluminio (superconductor debajo de 1.6K). Debido a sus dimensiones, la conducción en el nanocable esta cuantizada, con lo que el cable funciona como una válvula para la supercorriente.
En los metales superconductores, la corriente fluye sin disipación, aun en distancias macroscópicas. Hace mas de 40 años se predijo y comprobó experimentalmente, que una supercorriente puede fluir a través de una barrera no superconductora o unión Josephson. En el nuevo dispositivo, la unión Josephson que une ambos contactos de aluminio es un nanocable semiconductor. En este nanocable los electrones están confinados en un material con alta movilidad para los electrones como el germanio, mientras que el silicio produce un efecto de confinamiento en la dirección radial. Estos cables tienen además dos propiedades que los hacen óptimos para este tipo de dispositivos: los electrones pueden moverse distancias mayores a 100 nm sin sufrir procesos de dispersión, y es posible hacer buen contacto óhmico entre el aluminio y el nanocable.
En el cable solo puede haber electrones de determinadas energías, éstas se pueden sintonizar a través del voltaje de puerta, esta cuantización en las energías aparece como escalones en la conductancia del cable en función del voltaje de puerta. Estas medidas se realizan con temperaturas mayores a 1.6 K es decir por encima de la transición superconductora del aluminio. Cuando el dispositivo se enfría hasta el estado superconductor del aluminio, el voltaje de puerta permite controlar la corriente Josephson en el nanocable semiconductor.
Los electrones en un material superconductor se mueven formando pares (de Cooper) de carga 2e y están ligados por una energía 2D. Para que un electrón pase de la unión al superconductor y forme un par de Cooper, un hueco moviéndose en dirección opuesta debe quedar en la unión. Este proceso se conoce como reflexión Andreev, el proceso inverso, es decir un hueco reflejándose como un electrón, también es posible. Cada vez que un electrón o hueco se reflejan y se mueven a lo largo del cable ganarán una energía eV, donde V es el voltaje aplicado en la puerta. En este dispositivo se ha demostrado la existencia de múltiples reflexiones de Andreev. Esto sucede ya que el electrón solo podrá trasmitirse como electrón en estado normal al material superconductor cuando su energía sea mayor a 2D, es decir cuando debido a las múltiples reflexiones el electrón haya ganado suficiente energía. Esta condición es neV>2D, donde n es el numero de veces que el electrón atraviesa el cable.
En resumen con este dispositivo se han demostrado que es posible lograr uniones entre un superconductor y un nanocable semiconductor de muy alta calidad, que verifican las predicciones teóricas de transporte mesoscópico.
Hernandez Caballero Indiana M. CI: 15.242.745
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