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 extremadamente precisas, porque incluso las desviaciones más pequeñas pueden afectar significativamente a estos sistemas complejos”, explica el físico profesor Charles Gould del Instituto de Aisladores Topológicos de la Universidad de Würzburg (JMU).
Los científicos han implementado por primera vez experimentalmente un llamado estándar de resistencia cuántica que puede funcionar sin un campo magnético aplicado externamente. “En física, los estándares se utilizan como puntos de referencia fijos para la medición precisa de cantidades físicas y la calibración de instrumentos de medición”, afirma Gould. “Un estándar cuántico opera basándose en los principios invariantes de la mecánica cuántica, lo que lo hace extraordinariamente estable”.
¿Cómo funciona el estándar?
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, llamado voltaje Hall. Al dividir este voltaje por la corriente se obtiene la resistencia Hall. Aumenta a medida que el campo magnético se vuelve más fuerte. En conductores muy finos de menos de unos pocos nanómetros (a modo de comparación: un cabello humano tiene un grosor de unos 100.000 nanómetros) y con campos magnéticos muy fuertes, la resistencia ya no aumenta continuamente, sino que siempre alcanza los mismos valores fijos (medidas discretas que tienen valores universales). valores y son independientes de las características del dispositivo). Esto se conoce como efecto Hall cuántico (QHE). El hecho de que la resistencia en QHE adopte valores universales la convierte en una base ideal para la determinación de criterios de resistencia.
La característica especial del efecto Hall anómalo cuántico (QAHE) es que permite que el efecto Hall cuántico exista en un campo magnético cero. “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, “Tiene que medir la resistencia eléctrica y los estándares de voltaje en el “Al mismo tiempo”, dice Gould, “pero la medición de estándares de voltaje sólo funciona sin campo magnético, por lo que QAHE es ideal para eso”.
Hasta ahora, las mediciones QAHE en un campo magnético externo cero carecían de la precisión necesaria para aplicaciones avanzadas en metrología cuántica. Las nuevas mediciones ponen por primera vez al estándar QAHE libre de campo magnético a la par con estándares de resistividad convencionales anteriores basados en QHE, alcanzando la precisión requerida.
Más proyectos
Hasta ahora, el estándar de resistividad cuántica sin campo magnético externo se ha limitado a temperaturas y corrientes muy bajas. Para que el estándar pueda utilizarse comercialmente en el futuro, por ejemplo para la industria, es necesario perfeccionar aún más el experimento. Por lo tanto, el equipo de Gould en Würzburg continúa trabajando con Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, Alemania, y con investigadores internacionales como parte del consorcio europeo de metrología QuAHMET.
El proyecto de investigación fue financiado por la Comisión Europea, el Estado Libre de Baviera y la Fundación Alemana de Investigación (DFG).
Clúster de Excelencia ct.qmat
El equipo de investigación también participa en el Clúster de Excelencia ct.qmat: Complejidad y Topología en Materia Cuántica, dirigido conjuntamente por la Universidad de Würzburg (JMU) y la Technische Universität (TU) de Dresde desde 2019. Más de 300 científicos de más de treinta países y cuatro continentes estudiaron materiales cuánticos topológicos y realizaron descubrimientos sorprendentes. Fenómenos en condiciones extremas como temperaturas extremadamente bajas, altas presiones o fuertes campos magnéticos. ct.qmat está financiado por la Estrategia Alemana de Excelencia de los gobiernos federal y estatal y es el único grupo de excelencia de Alemania con sede en dos estados federales diferentes.
