En el campo de la tecnología de qubits cuánticos, se han utilizado dispositivos de fotodiodos de avalancha que utilizan semiconductores cristalinos para asegurar el estado cuántico. Sin embargo, debido al alto ruido térmico, el funcionamiento criogénico es esencial y se necesitan materiales con alta eficiencia de detección en la banda infrarroja. Para solventar este inconveniente, un equipo de investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) ha desarrollado una tecnología de amplificación de electrones de avalancha, que puede generar 85 veces más electrones mediante la absorción de un único fotón infrarrojo utilizando puntos cuánticos coloidales. Esto mejoraría las características de los dispositivos de fotodiodos.
Los fotodetectores infrarrojos desempeñan un papel clave en una variedad de aplicaciones que van desde los edificios inteligentes hasta la computación cuántica, pero las tecnologías existentes basadas en puntos cuánticos se han visto limitadas por problemas de sensibilidad y ruido.
Los puntos cuánticos coloidales, nanopartículas semiconductoras sintetizadas químicamente, son semiconductores basados en soluciones que han llamado la atención como candidatos prácticos para sensores infrarrojos. Tienen una estructura energética diferente a la de los semiconductores cristalinos, lo que tiene la ventaja de suprimir la generación de ruido térmico, pero tienen una baja movilidad de carga y una superficie de puntos cuánticos.
El equipo de investigación aplicó un fuerte campo eléctrico para acelerar los electrones, obteniendo energía cinética y generando una gran cantidad de electrones adicionales en puntos cuánticos adyacentes.
Uso de la luz infrarroja para estimular a los electrones
Cuando se aplica un campo eléctrico alto, los defectos cargados dentro del material del punto cuántico reciben energía a través de colisiones con electrones de conducción, formando un estado excitado, que, posteriormente, se estabilizan energéticamente, generando electrones secundarios.
Desde la perspectiva del dispositivo, se requiere un espesor de capa de puntos cuánticos suficiente para que los electrones se aceleren lo suficiente y ganen energía. En espesores inferiores a 540 nm, la estructura de la banda de energía se adelgaza en la interfaz de la capa de óxido metálico antes de que los electrones ganen suficiente energía para la aceleración. Esto provoca el efecto túnel de los electrones. Por lo tanto, sólo se puede inducir una amplificación electrónica eficiente cuando se forma una capa de puntos cuánticos suficiente de 540 nm o mayor.
Como resultado, los investigadores desarrollaron un dispositivo que tiene una amplificación de 85 veces la señal cuando se irradia con luz infrarroja a temperatura ambiente y una sensibilidad de detección de 1,4×1014 Jones o superior. Esto demuestra una sensibilidad decenas de miles de veces superior a la de las gafas de visión nocturna habituales.