Quantum transport in Solid state devices for Terahertz frequency applications

El treball presentat en aquesta tesi es dedica a la comprensio de desafiaments practics i conceptuals en la simulacio de propietats dinamiques mes enlla de l'aproximacio quasi-estatica en dispositius quantics d'estat solid en escenaris on es necessari un tractament mecanic quantic complet. Els resultats d'aquesta tesi son particularment rellevants per al calcul de les fluctuacions del corrent electric en el regim de THz, per a l'avaluacio dels temps de tunel que defineixen la frequencia de tall dels dispositius operats a alta frequencia, o per a l'avaluacio del treball termodinamic per a la realitzacio de motors termics quantics. Les propietats dinamiques esmentades impliquen mesures en diversos temps i, per tant, son sensibles a la ""retraccio"" quantica de la mesura. En el context de la mecanica quantica ortodoxa, la definicio d'aquestes propietats dinamiques no es pot desvincular de l'especificacio de l'aparell de mesura. Es a dir, definir propietats dinamiques intrinseques o independents dels aparells de mesura es incompatible amb els postulats de la mecanica quantica ortodoxa. Per tot plegat, un enginyer de dispositius com jo, que treballa en problemes practics relacionats amb els dispositius d'estat solid actuals i futurs, es veu obligat a aprofundir en els fonaments de la mecanica quantica. En aquest sentit, mostrare que les dificultats associades a la comprensio de propietats dinamiques de sistemes quantics es poden resoldre mirant mes enlla de la mecanica quantica ortodoxa. En particular, he explorat la interpretacio modal de la mecanica quantica, que es una teoria quantica matematicament precisa que reprodueix tots els fenomens de la mecanica quantica. Mostrare que les propietats intrinseques es poden definir facilment en aquest nou context (no ortodox). Demostrare tambe que les propietats intrinseques es poden identificar amb la mesura de "weak values" i, per tant, que es poden mesurar. Centrat en una teoria modal particular, viz., la mecanica de Bohm, es discutira i s'aplicara un simulador de transport d'electrons per abordar questions tant metodologiques com practiques relacionades amb la simulacio del transport quantic d'electrons. L'ontologia de la mecanica de Bohmian permet descriure de manera natural sistemes quantics oberts monitoritzats continuament amb una descripcio precisa dels estats condicionals per als regims markovians i no markovians. Aixo ajuda a proporcionar un enfocament alternatiu a la matriu densitat en la descripcio de sistemes quantics oberts, que escala exponencialment amb el nombre de graus de llibertat. Tantmateix, l'estrategia d'estats condicionals Bohmians, que ha conduit al desenvolupament del simulador de transport d'electrons BITLLES, es demostrara en el calcul dels temps de permanencia dels electrons en una barrera de grafe de dos terminals. Es demostrara que les trajectories de Bohmian son molt adequades per proporcionar una descripcio inequivoca dels temps de transit (tunel) i la seva relacio amb les frequencies de tall en dispositius electronics practics. Finalment, es discutira un protocol que incorpora mesures similars als "collective measurements" per eludir la incertesa de mesura en dispositius electronics de computacio classica i quantica.