Un punto cuántico es una realización física del confinamiento cuántico en tres dimensiones.
Uno de los primeros problemas tratados en los cursos introductorios de teoría cuántica es la analogía de la partícula en una caja. Una partícula se caracteriza por tener una longitud de onda de De Broglie y si la caja es lo suficientemente pequeña, comparable a la longitud de onda de De Broglie, entonces los efectos del confinamiento cuántico se manifiestan. El confinamiento cuántico de la función de onda de partículas da como resultado solo niveles de energía discretos permitidos dentro de la caja. La estructura discreta del nivel de energía es análoga a los niveles discretos de energía de un átomo. Por lo tanto, un punto cuántico a menudo se llama átomo artificial.
Hay muchas realizaciones físicas de puntos cuánticos. Todos se realizan en sistemas de semiconductores. Los portadores de carga en los semiconductores (electrones y agujeros) tienen relaciones energía-momento determinadas por el semiconductor específico. Por lo tanto, cada material tiene diferentes propiedades y sus portadores de carga tienen diferentes masas efectivas y, por lo tanto, diferentes longitudes de onda de De Broglie. Eso significa que las propiedades de puntos cuánticos variarán ampliamente entre los materiales.
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Los sistemas conceptualmente más simples son solo nanocristales semiconductores a escala nanométrica hechos con técnicas químicas. Estos sistemas exhiben confinamiento cuántico extremo y se caracterizan por la capacidad de ajuste de tamaño. Eso significa que el nivel de energía más bajo permitido en el punto cuántico depende en gran medida del tamaño del nanocristal. Estos materiales ahora se fabrican en cantidades comerciales para su uso en pantallas LED de puntos cuánticos avanzados. En esta aplicación, la capacidad de ajuste de tamaño de su longitud de onda de emisión es su propiedad clave.
Los puntos cuánticos de nanocristales no son la realización perfecta de una partícula en un sistema cuántico de caja debido a interacciones superficiales muy complejas. Otro tipo de punto cuántico se usa en aplicaciones donde el punto cuántico debe comportarse como un átomo artificial puro. Estos generalmente se forman en capas interfaciales de semiconductores a granel. Están profundamente incrustados en el semiconductor a granel y, por lo tanto, generalmente están libres de efectos de superficie, pero en general no se puede acceder a ellos fácilmente, aislarlos y no pueden ajustarse por tamaño. Se llaman puntos cuánticos autoensamblados.
Los puntos cuánticos también se pueden fabricar y definir utilizando electrodos depositados en una capa de gas electrónico de 2 dimensiones. El crecimiento bidimensional de la capa de gas electrónico es una rutina en la fabricación de semiconductores. En estos materiales, una capa semiconductora muy delgada se intercala entre otros materiales semiconductores para formar una estructura de pozo cuántico bidimensional. Aquí los electrones solo están bien confinados en una dimensión y son libres de viajar en una hoja. Sin embargo, si hay electrodos de tamaño nanométrico en la superficie del material, pueden definir una región confinada de puntos cuánticos utilizando un campo eléctrico. Estos puntos cuánticos solo están confinados débilmente en dos dimensiones y fuertemente confinados en una dimensión. El confinamiento débil significa que los efectos de confinamiento cuántico solo se realizan a temperaturas criogénicas extremas en la región de las milivinelvinas. La realización de puntos cuánticos en un material semiconductor convencional con electrodos estampados es más adecuada para explorar puntos cuánticos como depósitos de electrones individuales, donde los electrones se pueden agregar y eliminar de forma controlable del dispositivo mediante técnicas electrónicas. Dichas tecnologías pueden encontrar un uso eventual en la computación cuántica, pero por ahora son simplemente una herramienta de investigación en laboratorios de investigación de semiconductores.
En resumen, un punto cuántico es alguna representación de una partícula cuántica confinada en 3D. Es una partícula tridimensional en una caja que se comporta como un átomo.
