Investigadores de la Universidad de Würzburg han desarrollado un método que puede mejorar el rendimiento de los estándares de resistencia cuántica. Se basa en un fenómeno cuántico llamado efecto Hall anómalo cuántico.
La medición precisa de la resistencia eléctrica es esencial en la producción industrial o en la electrónica, por ejemplo, en la fabricación de sensores, microchips y controles de vuelo de alta tecnología. "Aquí es fundamental realizar mediciones muy precisas, ya que incluso las desviaciones más pequeñas pueden afectar significativamente a estos sistemas complejos", explica el profesor Charles Gould, físico del Instituto de Aisladores Topológicos de la Universidad de Würzburg (JMU).
"Con nuestro nuevo método de medición, podemos mejorar significativamente la precisión de las mediciones de resistencia, sin ningún campo magnético externo, utilizando el efecto Hall cuántico anómalo (QAHE)".
La investigación se publica en la revista Nature Electronics. .
Mucha gente puede recordar el clásico efecto Hall de sus lecciones de física:cuando una corriente fluye a través de un conductor y se expone a un campo magnético, se crea un voltaje, el llamado voltaje Hall. La resistencia Hall, obtenida dividiendo este voltaje por la corriente, aumenta a medida que aumenta la intensidad del campo magnético.
En capas delgadas y en campos magnéticos suficientemente grandes, esta resistencia comienza a desarrollar pasos discretos con valores de exactamente h/ne 2 , donde h es la constante de Planck, e es la carga elemental y n es un número entero. Esto se conoce como efecto Hall cuántico porque la resistencia depende sólo de las constantes fundamentales de la naturaleza (h y e), lo que la convierte en una resistencia estándar ideal.
La característica especial del QAHE es que permite que exista el efecto Hall cuántico con un campo magnético nulo. "El funcionamiento en ausencia de cualquier campo magnético externo no sólo simplifica el experimento, sino que también ofrece una ventaja a la hora de determinar otra cantidad física:el kilogramo. Para definir un kilogramo, hay que medir la resistencia eléctrica y el voltaje en al mismo tiempo", dice Gould, "pero la medición del voltaje sólo funciona sin campo magnético, por lo que el QAHE es ideal para esto."
Hasta ahora, el QAHE se midió sólo en corrientes que son demasiado bajas para un uso metrológico práctico. La razón de esto es un campo eléctrico que altera el QAHE a corrientes más altas. Los físicos de Würzburg han desarrollado ahora una solución a este problema.
"Neutralizamos el campo eléctrico utilizando dos corrientes separadas en una geometría que llamamos dispositivo Corbino multiterminal", explica Gould. "Con este nuevo truco, la resistencia permanece cuantificada en h/e 2 hasta corrientes mayores, lo que hace que el estándar de resistencia basado en QAHE sea más robusto."
En su estudio de viabilidad, los investigadores pudieron demostrar que el nuevo método de medición funciona con el nivel de precisión que ofrecen las técnicas básicas de CC.
Su próximo objetivo es probar la viabilidad de este método utilizando herramientas metrológicas más precisas. Para ello, el grupo de Würzburg colabora estrechamente con el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Instituto Nacional Alemán de Metrología, PTB), que se especializa en este tipo de mediciones metrológicas ultraprecisas.
Gould también señala:"Este método no se limita al QAHE. Dado que el efecto Hall cuántico convencional experimenta limitaciones similares impulsadas por el campo eléctrico en corrientes suficientemente grandes, este método también puede mejorar los estándares metrológicos de última generación existentes, para aplicaciones donde Las corrientes son útiles."
Más información: Kajetan M. Fijalkowski et al, Una resistencia Hall cuántica equilibrada, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01156-6
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
Proporcionado por Julius-Maximilians-Universität Würzburg
