Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio lograron una conmutación precisa y completamente reversible de la polaridad del voltaje producido por el efecto termoeléctrico a través de una unión de oro con un contacto de escala atómica. El control de la tensión termoeléctrica se logró alargando mecánicamente el contacto. Se espera que esta tecnología encuentre aplicaciones en la generación termoeléctrica, técnicas de medición en ciencia de materiales, y dispositivos electrónicos de estado sólido.

Se crea una diferencia de voltaje a través de una unión de dos cables mantenidos a diferentes temperaturas. Este fenómeno, llamado efecto termoeléctrico, ha sido ampliamente estudiado y utilizado en diversas aplicaciones, como generadores de energía termoeléctricos, refrigeradores termoeléctricos, y medición de temperatura. Cuando la sección transversal del contacto de unión se reduce a unos pocos átomos, efectos de la mecánica cuántica o, específicamente, las interferencias cuánticas entre electrones afectan el transporte de electrones a través de la unión. Estas interferencias dependen en gran medida de la estructura, incluyendo pequeños defectos, del contacto a escala atómica y el material circundante, que determinan propiedades eléctricas como conductancia y voltaje termoeléctrico. Hasta aquí, el efecto de interferencia cuántica en contactos metálicos a escala atómica no ha encontrado mucha aplicación, debido a la dificultad de controlar con precisión las estructuras atómicas.

Akira Aiba, Manabu Kiguchi y sus colegas de Tokyo Tech demostraron experimentalmente que la magnitud y el signo del voltaje termoeléctrico a través de las uniones de oro a escala atómica se pueden controlar aplicando una tensión mecánica para deformar el contacto de manera minuciosa y precisa, mientras que la estructura del material circundante no se ve afectada. Se realizaron pequeñas deformaciones doblando el sustrato de la unión mediante el uso de un transductor piezoeléctrico y manteniendo un ambiente de baja temperatura para que los átomos no ganen suficiente energía cinética para vibrar fuertemente y causar deformaciones aleatorias de la estructura. A medida que el contacto se alargaba, la conductancia disminuyó de manera escalonada, y la tensión termoeléctrica variaba bruscamente con los cambios de signo. Notablemente, estos cambios fueron perfectamente reversibles:las propiedades eléctricas se restauraron a sus valores iniciales cuando el contacto se comprimió de nuevo a su estructura inicial.

Se utilizó un rango adecuado de alargamiento que causa un cambio escalonado en la conductancia con un cambio en el signo del voltaje termoeléctrico para crear un interruptor de voltaje, es decir., un dispositivo que cambia el voltaje cuando se alarga o se comprime. Tal cambio de signo de voltaje termoeléctrico a través de uniones metálicas a escala de átomo se observó anteriormente, pero esta es la primera vez que el cambio de signo se puede controlar de manera predecible y reversible. Curiosamente, Se demostró que el interruptor de voltaje desarrollado por estos científicos funciona de manera confiable durante al menos 20 ciclos de alargamiento y compresión.

Más lejos, los científicos demostraron teóricamente que la conmutación es causada por el cambio de los estados de interferencia cuántica de los electrones debido a la modificación mecánica de la estructura del contacto. Un modelo teórico de la unión que los científicos construyeron utilizando la teoría funcional de la densidad predijo con precisión los cambios de las propiedades eléctricas con deformaciones variables.

Este es el primer informe de manipulación exitosa de la interferencia cuántica de electrones en nanoestructuras metálicas a través de fuerza mecánica externa. Los resultados de este estudio pueden tener aplicaciones potenciales en la generación termoeléctrica, técnicas de medición en ciencia de materiales, y dispositivos electrónicos de estado sólido.