Corrientes sin resistencia eléctrica observadas en un anillo conductor convencional, no superconductor

Por Francisco R. Villatoro, el 9 octubre, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Mecánica Cuántica • Nanotecnología • Physics • Science

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Un superconductor permite el flujo de una corriente sin resistencia eléctrica. La mecánica cuántica permite que un conductor convencional, no superconductor, en forma de anillo también presente corrientes sin disipar energía, pero son extremadamente débiles. Estas corrientes existen sólo cuando se aplica un campo magnético y éstas varían periódicamente con el flujo magnético con un periodo igual al flujo magnético cuántico h/e, donde h es la constante de Planck y e es la carga del electrón. Estas corrientes son extremadamente pequeñas y su medida experimental notoriamente difícil. Sin embargo, Bluhm et al. y Bleszynski-Jayich et al. han sido capaces de medir dichas corrientes experimentalmente. Nos lo comentan Norman O. Birge, “Physics: Sensing a Small But Persistent Current,” Science 326: 244-245, 9 October 2009, y Yoseph Imry, “Tireless electrons in mesoscopic gold rings,” Physics 2: 24, 2009, haciéndose eco de los artículos técnicos de Hendrik Bluhm, Nicholas C. Koshnick, Julie A. Bert, Martin E. Huber, Kathryn A. Moler, “Persistent Currents in Normal Metal Rings,” Phys. Rev. Lett. 102: 136802, 2009, y A. C. Bleszynski-Jayich, W. E. Shanks, B. Peaudecerf, E. Ginossar, F. von Oppen, L. Glazman, J. G. E. Harris, “Persistent Currents in Normal Metal Rings,” Science 326: 272-275, 9 October 2009.

¿Por qué es tan difícil medir estas corrientes sin pérdidas tan pequeñas? Por un lado, la corriente tiene que fluir por un anillo y el efecto desaparece si se coloca un amperímetro en el propio anillo. Lo único que se puede medir es el pequeño momento magnético producido por el flujo de esta corriente. La teoría predice que esta corriente es del orden de la carga de un electrón dividida por el tiempo que el electrón necesita para su difusión alrededor de todo el anillo. Por ello el anillo tiene que tener un diámetro de pocos micrómetros. Además, la corriente sin pérdidas disminuye muy rápidamente cuando se incrementa la temperatura, por lo que hay que trabajar cerca de un 1 K. Además, el signo de esta corriente en una muestra real depende de los detalles íntimos del material utilizado, los responsables de la resistencia eléctrica, por lo que varía aleatoriamente de un anillo a otro, luego hay que utilizar muchos anillos para obtener una buena estimación de la corriente. Finalmente, momentos magnéticos espurios pueden contaminar la superficie de las muestras y perturbar las medidas obtenidas.

Las primeras medidas experimentales de estas corrientes sin pérdidas en metales convencionales se realizaron en los 1990 y presentaron resultados que diferían de los resultados teóricos esperados, con lo que su interpretación se hacía difícil. Experimentos posteriores mejoraron esta concordancia, pero con muchas coletillas aún por comprender. Casi 20 años de incertidumbres sobre si lo medido era realmente el efecto que se quería medir han sido necesarios para que este año dos grupos de investigación hayan obtenido medidas precisas de este efecto que lo confirman fuera de toda duda.

Bluhm et al. han usado un microscopio de efecto túnel para medir estas débiles corrientes en 33 anillos de oro, cada anillo individualmente conforme el microscopio era desplazado. Los campos magnéticos debidos a estas corrientes se han medido utilizando dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID). El experimento es díficil y cada medida de un anillo ha requerido 12 horas de medidas que han tenido que ser promediadas. Los resultados concuerdan muy bien con la teoría.

Bleszynski-Jayich et al. han usado un procedimiento diferente basado en sistemas nanoelectromecánicos. Los anillos se encontraban en el extremo de unas microvigas ultrapequeñas suspendidas que oscilan a una frecuencia que se puede medir con gran precisión. Al colocar estas microvigas en un campo magnético, las pequeñas corrientes sin pérdidas introducen un momento mecánico pequeñísimo que hace oscilar las microvigas. Usando esta técnica Bleszynski-Jayich et al. han logrado una sensibilidad sin precedentes, 100 veces mayor que la obtenida por Bluhm et al. El secreto está en el gran campo magnético utilizado que suprime los efectos debidos a la contaminación de fondo resultado de los espines de las impurezas en el material. Sus medidas han utilizado microvigas con 242, 990 y hasta 1680 pequeños anillos, para lograr que la señal total sea amplificada (crece con la raíz cuadrada del número de anillos).

Dos grandes trabajos experimentales que nos muestran que la mecánica cuántica hace de las suyas en muchos sistemas de escala macroscópica.



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