viernes, 16 de octubre de 2009

Un nuevo efecto cuántico confirmado: los electrones fluyen eternamente en anillos de metal ordinario.


Es conocido, y muchos habremos oído hablar de ello, que en los superconductores una corriente eléctrica puede circular sin resistencia. Los mejores conductores normales, como el cobre o el oro, tienen resistencia eléctrica, por lo que para que fluya una corriente tenemos que aportar energía (una pila, por ejemplo). Así las cosas, en una anillo superconductor podríamos tener una corriente persistente sin necesidad de una pila y esto sería imposible en un anillo conductor normal. ¿Correcto? No, al menos no siempre. El grupo de J.G.E. Harris de la Universidad de Yale (EE.UU.), en colaboración con Felix von Oppen de la Universidad Libre de Berlín (Alemania), ha comprobado experimentalmente la existencia de corrientes persistentes en anillos conductores a mesoescala (con un tamaño medido en micras), lo que confirma las predicciones hechas en 1983 por Ymri et.al. Su trabajo se publica en Science.

Si un anillo metálico es muy pequeño (alrededor de 1 micra de diámetro) la mecánica cuántica dice que sus electrones deberían comportarse de manera similar a como se comportan los electrones alrededor de un núcleo atómico. Y de la misma manera que los electrones se mantienen en las configuraciones de menor energía de un átomo sin necesidad de un suministro de energía, los electrones en estos anillos mesoscópicos deberían fluir eternamente. Numéricamente: en un anillo de 1 micra de diámetro enfriado a 1 Kelvin debería haber una corriente de 1 nanoamperio.

Las corrientes de un nanoamperio de magnitud pueden medirse con un amperímetro, pero esto implicaría romper el anillo para incluir el amperímetro en el circuito. El circuito resultante tendría unas dimensiones muy superiores a 1 micra y no pasaría corriente.

La alternativa al amperímetro era el uso de dispisitivos superconductores de interferencia cuántica (más conocidos por sus siglas en inglés, SQUIDs) para medir los campos magnéticos creados por las corrientes persistentes. Pero esto se hace muy complicado debido a la propia sensibilidad de los SQUIDs, cuyas mediciones se ven alteradas por la presencia de impurezas en los anillos. Además, se hace necesario aplicar un campo magnético a lo largo del eje del anillo para hacer que la corriente persistente fluya en una dirección. Este campo hace que sea muy difícil operar con el SQUID, pero sin él unos electrones irían en un sentido y otros en otro lo que resultaría una corriente neta de cero.

Debido a todas estas dificultades los resultados experimentales han sido inconsistentes y no se parecían a las predicciones teóricas. Lo que ha conseguido el equipo de Harris es un sistema de medición de corrientes persistentes que es 100 veces más sensible que un SQUID.

El equipo fabricó anillos de aluminio sobre una pastilla de silicio y empleó un proceso litográfico para crear micro vigas (como si fueran trampolines de una piscina) de 300 nanometros de grosor con uno o más anillos en las puntas. Para medir la corriente en los anillos se coloca una micro viga a unos 45º con respecto a un fuerte campo magnético de varios Tesla de intensidad. El componente del vector del campo magnético aplicado perpendicular a la micro viga hace que la corriente persistente del anillo fluya en una dirección solamente. Esta corriente persistente unidireccional lleva asociada un campo magnético que es perpendicular a la micro viga. El componente paralelo a la micro viga del vector del campo magnético aplicado está en ángulo recto con el que crea la corriente persistente, lo que crea un par sobre la micro viga.

La micro viga tiene una frecuencia natural de oscilación, que cambia como resultado de este par. Comparando las frecuencias con y sin el campo aplicado, Harris et al. pueden calcular el valor de la corriente persistente en el anillo (o anillos). El equipo estudió varias micro vigas con un anillo o con series de cientos o miles de anillos idénticos.

Midiendo el tamaño de la corriente persistente cambiando el campo magnético, el equipo confirmó, en primer lugar, que la corriente persistente existe y, en segundo, que su valor es una función del cuanto de flujo magnético (h/2e), tal y como predijeron Ymry y sus colegas en 1983. Quedaría sólo por confirmar que las teorías son válidas a bajos valores de flujo magnético. Harris y compañía ya trabajan en ello.

[En la imagen, anillos de aluminio producidos por Harris et al.]

Referencia:

Bleszynski-Jayich, A., Shanks, W., Peaudecerf, B., Ginossar, E., von Oppen, F., Glazman, L., & Harris, J. (2009). Persistent Currents in Normal Metal Rings Science, 326 (5950), 272-275 DOI: 10.1126/science.1178139

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