Laboratorio de punto cuántico

Un punto cuántico de un solo nivel entre dos electrodos: el sistema más sencillo en el que las interacciones electrón–electrón determinan tanto el transporte de carga como el de calor. Baja el nivel del punto con la puerta para añadir electrones de uno en uno, cambia la interacción de Coulomb U o la temperatura T y observa cómo responden el bloqueo de Coulomb y la termopotencia, o calienta un electrodo para generar una corriente termoeléctrica.

Diagrama de energías · fuente caliente (rojo) y drenador frío (azul) llenos hasta sus potenciales químicos μL = +eV/2 y μR = −eV/2, cada uno suavizado por su propia temperatura · niveles del punto εd y εd+U sombreados según su peso espectral · flecha: flujo de electrones
Ocupación
Conductancia (V → 0)
Termopotencia (V → 0)
ZTel (V → 0)
Corriente I
Potencia P = −IV · eficiencia
Transmisión 𝒯(ω) en el εd elegido · sombreado: ventana de transporte (−∂f/∂ω sin voltaje ni ΔT; si no, |fL − fR|)
Conductancia G (2e²/h) y ocupación n (discontinua, eje derecho) frente al nivel del punto εd · haz clic para mover εd
Termopotencia S (kB/e) frente al nivel del punto εd · haz clic para mover εd
Corriente I (eΓ/h) frente al voltaje en el εd y ΔT elegidos · rojo: potencia entregada · haz clic para mover el voltaje
Motor térmico: potencia P = −IV (Γ²/h) desde V = 0 hasta el termovoltaje, donde la corriente se detiene · haz clic para mover el voltaje

Qué estás viendo

  • Transmisión. Las interacciones dividen el nivel en dos picos, en εd y εd+U. Sus pesos dependen de la ocupación: un electrón de un espín o bien bloquea al otro espín o bien lo deja entrar a costa de U. Solo hay transporte dentro de la ventana de Fermi.
  • Conductancia. Un pico por cada electrón añadido. Entre los picos el punto está en bloqueo de Coulomb, y en el centro alberga exactamente un electrón (n = 1). Al subir T los picos se ensanchan.
  • Termopotencia. Cambia de signo cada vez que un pico de transmisión cruza el nivel de Fermi: tipo electrón (S < 0) cuando el transporte ocurre por encima, tipo hueco (S > 0) por debajo. En el punto de simetría partícula–hueco, εd = −U/2, se anula.
  • Gradiente térmico. Con la fuente más caliente que el drenador, circula corriente incluso sin voltaje. Por encima de μ el electrodo caliente tiene más electrones, así que fluyen de caliente a frío; por debajo de μ tiene más estados vacíos, así que los electrones van de frío a caliente (los huecos van de caliente → frío). El sentido se invierte justo donde la termopotencia cambia de signo.
  • Voltaje y motor térmico. Un voltaje abre una ventana entre μL y μR; la corriente salta cada vez que εd o εd+U entra en ella (escalones de Coulomb). Con una fuente caliente, los electrones siguen fluyendo incluso contra un pequeño voltaje opuesto: el punto convierte calor en potencia eléctrica, P = −IV > 0 (zona roja), con una eficiencia η acotada por la de Carnot, ηC = 1 − TR/TL. El voltaje al que la corriente se detiene es el termovoltaje.

Modelo: impureza de Anderson con degeneración de espín en el régimen de bloqueo de Coulomb, con la función espectral de ecuaciones de movimiento (Hubbard-I) resuelta de forma autoconsistente para la ocupación, y acoplamiento simétrico ΓL = ΓR = Γ/2. G, S y ZT son magnitudes de respuesta lineal a voltaje cero y a la temperatura media; la corriente, la potencia y la eficiencia se calculan con voltaje y ΔT finitos, más allá de la respuesta lineal, con la ocupación evaluada fuera del equilibrio usando las funciones de Fermi de ambos electrodos. No se incluyen las correlaciones Kondo (T < TK). Energías en unidades de Γ. Para un tratamiento analítico con ecuaciones de movimiento del caso del doble punto, véase Sobrino, Jacob y Kurth, Phys. Rev. B 110, 115121 (2024) y Phys. Rev. B 111, 115108 (2025).