Superstatistic properties of the cylindrical quantum dot

Автор(и)

  • A. M. Babanlı Department of Physics, Süleyman Demirel University, Isparta 32260, Turkey
  • M. Balcı Isparta University of Applied Sciences, Isparta 32260, Turkey
  • V. Sabyrov Institute of Engineering, Technical and Transport Communications of Turkmenistan, Ashgabat 74400, Turkmenistan
    Institute of Natural Sciences, Süleyman Demirel University, Isparta 32260, Turkey
  • Osman Ucar Institute of Science and Technology, Süleyman Demirel University, Isparta 32260, Turkey

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0042669

Ключові слова:

non-equilibrium systems, quantum dot, superstatistic

Анотація

Досліджено магнітні та термодинамічні властивості квантової точки GaAs з циліндричним потенціалом обмеження із застосуванням методів суперстатистики. Розв’язуючи рівняння Шредінгера, отримано енергетичний спектр квантової системи. Вважається, що визначена замкнена одноелектронна система перебуває в умовно нерівноважному стані, в якому температура є флуктуючим параметром, а її флуктуації відповідають певному розподілу. Для опису термодинамічних властивостей цієї системи застосовано формалізм суперстатистики. На основі цього формалізму виведено узагальнену статистичну суму, яку надалі використано для отримання виразів термодинамічних параметрів. Згідно з отриманими результатами, вплив зміни значень ентропійного індексу неекстенсивної статистичної механіки на поведінку термодинамічних параметрів є найбільш вираженим за низьких температур. Із підвищенням температури цей вплив послаблюється та повністю зникає за високих температур. Термодинамічні параметри проявляють повністю аномальну поведінку, коли система відхиляється від екстенсивного стану, тобто коли ентропійний індекс неекстенсивної статистичної механіки не дорівнює одиниці. За таких значень ентропійного індексу теплоємність набуває від’ємних значень за низьких температур, а ентропія, яка зазвичай є зростаючою величиною, зменшується та досягає певного мінімального значення. Така аномальна поведінка термодинамічних параметрів зникає з підвищенням температури, і за високих температур їхня поведінка стає подібною до поведінки термодинамічних параметрів в екстенсивному стані.

Посилання

O. B. Shchekin, G. Park, D. L. Huffaker, and D. G. Deppe, “Discrete energy level separation and the threshold temperature dependence of quantum dot lasers,” Appl. Phys. Lett. 77, 466 (2000). https://doi.org/10.1063/1.127012

C. Tablero, “Quantum dot energy levels and spectrum for different geometries,” J. Appl. Phys. 106, 074306 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3243290

D. Bera, L. Qian, T.-K. Tseng, and P. H. Holloway, “Quantum dots and their multimodal applications: A review,” Materials 3, 2260 (2010). https://doi.org/10.3390/ma3042260

F. P, G. de Arquer, D. V. Talapin, V. I. Klimov, Y. Arakawa, M. Bayer, and E. H. Sargent, “Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges,” Science 373, 6555 (2021). https://doi.org/10.1126/science.aaz8541

Y. Jang, A. Shapiro, M. Isarov ., “Interface control of electronic and optical properties in IV–VI and II–VI core/shell colloidal quantum dots: A review,” Chem. Commun. 53, 1002 (2017). https://doi.org/10.1039/C6CC08742F

H. Moon, C. Lee, W. Lee, J. Kim, and H. Chae, “Stability of quantum dots, quantum dot films, and quantum dot light-emitting diodes for display applications,” Adv. Mater. 31, 34 (2019). https://doi.org/10.1002/adma.201804294

C. R. Kagan, E. Lifshitz, E. H. Sargent, and D. V. Talapin, “Building devices from colloidal quantum dots,” Science 353, 6302 (2016). https://doi.org/10.1126/science.aac5523

R. C. Ahirwar ., “Progression of quantum dots confined polymeric systems for sensorics,” Polymers 15, 405 (2023). https://doi.org/10.3390/polym15020405

P. Tian, L. Tang, K. S. Teng, and S. P. Lau, “Graphene quantum dots from chemistry to applications,” Mater. Today Chem. 10, 221 (2018). https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2018.09.007

Y. Shu, X. Lin, H. Qin, Z. Hu, Y. Jin, and X. Peng, “Quantum dots for display applications,” Angew. Chem. 132, 22496 (2020). https://doi.org/10.1002/ange.202004857

Ł Karwacki and P. Trocha, “Spin-dependent thermoelectric effects in a strongly correlated double quantum dot,” Phys. Rev. B 94, 085418 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.085418

P. Trocha and J. Barnaś, “Spin-dependent thermoelectric phenomena in a quantum dot attached to ferromagnetic and superconducting electrodes,” Phys. Rev. B 95, 165439 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.165439

S. Sanvito, “Molecular spintronics,” Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011). https://doi.org/10.1039/c1cs15047b

G. Dresselhaus, “Spin-orbit coupling effects in zinc blende structures,” Phys. Rev. 100, 580 (1955). https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.580

Y. A. Bychkov and É. I. Rashba, “Properties of a 2D electron gas with lifted spectral degeneracy,” JETP Lett. 39(2), 66–69 (1984).

B. Vaseghi, G. Rezaei, V. Azizi, and F. Taghizadeh, “Simultaneous effects of spatial electric field and spin–orbit interaction on the cubic quantum dot energy levels,” Physica E-Low-Dim. Syst. Nanostruct. 43, 1080 (2011). https://doi.org/10.1016/j.physe.2011.01.004

H. Askari, F. A. Ouderji, and M. Karimipour, “Sum frequency generation in the spherical quantum dots in the presence of applied electric field and spin–orbit interaction,” Optik 125, 4788 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2014.04.059

B. Bhakti, S. Datta, and M. Ghosh, “Harnessing the thermodynamic properties of GaAs quantum dot under the influence of noise–anharmonicity interplay,” Eur. Phys. J. B 97, 24 (2024). https://doi.org/10.1140/epjb/s10051-024-00660-0

A. Babanlı, M. Balcı, V. Sabyrov, R. Saparguliyev, S. Shamuhammedov, and A. Kakalyyev, “Magnetic and thermodynamic properties of the cylindrical DMS quantum dot,” J. Low Temp. Phys. 217, 584 (2024). https://doi.org/10.1007/s10909-024-03222-x

B. Bhakti, S. Datta, and M. Ghosh, “Modulation of thermodynamic properties of doped GaAs quantum dot under the influence of noise,” Phys. Status Solidi B 261, 2300589 (2024). https://doi.org/10.1002/pssb.202300589

D. Lestari, L. Permatahati, A. Suparmi, and C. Cari, “Thermodynamic properties of quantum dot in the fractional dirac equation,” Eur. Phys. J. Plus 140, 466 (2025). https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-025-06388-9

C. Tsallis, “Possible generalization of boltzmann-gibbs statistics,” J. Stat. Phys. 52, 479 (1988). https://doi.org/10.1007/BF01016429

C. Beck and E. G. Cohen, “Superstatistics,” Phys. A Stat. Mech. Appl. 322, 267 (2003). https://doi.org/10.1016/S0378-4371(03)00019-0

R. Konlechner, A. Allagui, V. N. Antonov, and D. Yudin, “A superstatistics approach to the modelling of memristor current–voltage responses,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 614, 128555 (2023). https://doi.org/10.1016/j.physa.2023.128555

S. Davis, “Fluctuating temperature outside superstatistics: Thermodynamics of small systems,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 589, 126665 (2022). https://doi.org/10.1016/j.physa.2021.126665

S. Sargolzaeipor, H. Hassanabadi, and W. Chung, “q-deformed superstatistics of the schrödinger equation in commutative and noncommutative spaces with magnetic field,” Eur. Phys. J. Plus 133, 5 (2018). https://doi.org/10.1140/epjp/i2018-11827-1

R. Metzler, “Superstatistics and non-Gaussian diffusion,” Eur. Phys. J. Spec. Top. 229, 711 (2020). https://doi.org/10.1140/epjst/e2020-900210-x

J. D. Castaño-Yepes and C. F. Ramirez-Gutierrez, “Superstatistics and quantum entanglement in the isotropic spin-1/2 XX dimer from a nonadditive thermodynamics perspective,” Phys. Rev. E 104, 039903 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.039903

S. Davis, C. Loyola, C. Femenías, and J. Peralta, “Superstatistics as the thermodynamic limit of driven classical systems,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 660, 130370 (2025). https://doi.org/10.1016/j.physa.2025.130370

K. Ourabah, “Superstatistics from a dynamical perspective: Entropy and relaxation,” Phys. Rev. E 109, 1 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.014127

D. Nath, “Superstatistics of anisotropic oscillator in a noncommutative plane,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 626, 129031 (2023). https://doi.org/10.1016/j.physa.2023.129031

S. Dilmi, F. Khalfaoui, and A. Boumali, “The effects of superstatistics properties on hot plasma,” Eng., Technol. Appl. Sci. Res. 12, 9342 (2022). https://doi.org/10.48084/etasr.5223

J. D. Castaño-Yepes and D. Amor-Quiroz, “Super-statistical description of thermo-magnetic properties of a system of 2D GaAs quantum dots with Gaussian confinement and rashba spin–orbit interaction,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 548, 123871 (2020). https://doi.org/10.1016/j.physa.2019.123871

M. S. Bressler, O. B. Gusev, A. A. Kiselev, and S. V. Pavlov, “Diffusion of nonequilibrium carriers in low-dimensional structures,” Phys. Rev. B 77, 085303 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.085303

M. Lundstrom, S. Datta, and X. Sun, “Emission-Diffusion theory of the MOSFET,” IEEE Trans. Electron Devices 62, 3894 (2015). https://doi.org/10.1109/TED.2015.2481886

S. M. Sze and K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3rd ed. (John Wiley & Sons, 2007).

J. Ryu, S. D. Park, D. Baranov ., “Relations between absorption, emission, and excited state chemical potentials from nanocrystal 2D spectra,” Sci. Adv. 7, 22 (2021). https://doi.org/10.1126/sciadv.abf4741

A. J. Nozik, “Spectroscopy and hot electron relaxation dynamics in semiconductor quantum wells and quantum dots,” Annu. Rev. Phys. Chem. 52, 193 (2001). https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.52.1.193

H. Haug and S. W. Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors, 5th ed. (World Scientific, 2009). https://doi.org/10.1142/7184

A. Boumali, F. Serdouk, and S. Dilmi, “Superstatistical properties of the one-dimensional dirac oscillator,” Phys. A: Stat. Mech. Appl. 553, 124207 (2020). https://doi.org/10.1016/j.physa.2020.124207

N. Bouarissa and H. Aourag, “Effective masses of electrons and heavy holes in InAs, InSb, GaSb, GaAs and some of their ternary compounds,” Infrared Phys. Technol. 40, 343 (1999). https://doi.org/10.1016/S1350-4495(99)00020-1

J. Hübner, S. Döhrmann, D. Hägele, and M. Oestreich, “Temperature-dependent electron landé g factor and the interband matrix element of GaAs,” Phys. Rev. B 79, 193307 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.193307

A. M. Babayev, O. Mercan, and S. Tez, “Electron lande g-factor in GaAs/AlxGa1–x as quantum wires,” Physica E 41, 345 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physe.2008.06.030

Downloads

Опубліковано

2026-01-22

Як цитувати

(1)
A. M. Babanlı, M. Balcı, V. Sabyrov, and Osman Ucar, Superstatistic properties of the cylindrical quantum dot , Low Temp. Phys. 52, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 352–358, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0042669.

Номер

Розділ

Квантові ефекти в конденсованих середовищах

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.