Um resistor Hall quântico balanceado fornece um novo método de medição
Até agora, o efeito Hall anômalo quântico do campo magnético zero só ocorria em correntes muito baixas. Este dispositivo pode mudar isso. Crédito:Kajetan Fijalkowski /JMU Pesquisadores da Universidade de Würzburg desenvolveram um método que pode melhorar o desempenho dos padrões de resistência quântica. É baseado em um fenômeno quântico chamado efeito Hall Anômalo Quântico.
A medição precisa da resistência eléctrica é essencial na produção industrial ou electrónica – por exemplo, no fabrico de sensores de alta tecnologia, microchips e controlos de voo. “Medições muito precisas são essenciais aqui, pois mesmo os menores desvios podem afetar significativamente esses sistemas complexos”, explica o professor Charles Gould, físico do Instituto de Isoladores Topológicos da Universidade de Würzburg (JMU).
"Com nosso novo método de medição, podemos melhorar significativamente a precisão das medições de resistência, sem qualquer campo magnético externo, usando o efeito Hall anômalo quântico (QAHE)."
A pesquisa foi publicada na revista Nature Electronics .
Como funciona o novo método
Muitas pessoas talvez se lembrem do clássico efeito Hall das aulas de física:quando uma corrente flui através de um condutor e é exposta a um campo magnético, é criada uma tensão – a chamada tensão Hall. A resistência Hall, obtida pela divisão desta tensão pela corrente, aumenta à medida que a intensidade do campo magnético aumenta.
Em camadas finas e em campos magnéticos suficientemente grandes, esta resistência começa a desenvolver passos discretos com valores de exatamente h/ne
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, onde h é a constante de Planck, e é a carga elementar e n é um número inteiro. Isso é conhecido como efeito Hall quântico porque a resistência depende apenas das constantes fundamentais da natureza (h e e), o que o torna um resistor padrão ideal.
A característica especial do QAHE é que ele permite que o efeito Hall quântico exista em campo magnético zero. “A operação na ausência de qualquer campo magnético externo não só simplifica o experimento, mas também dá uma vantagem na determinação de outra grandeza física:o quilograma. Para definir um quilograma, é preciso medir a resistência elétrica e a tensão em ao mesmo tempo", diz Gould "mas a medição da tensão só funciona sem campo magnético, então o QAHE é ideal para isso."
Até agora, o QAHE foi medido apenas em correntes que são demasiado baixas para uso metrológico prático. A razão para isto é um campo elétrico que perturba o QAHE em correntes mais altas. Os físicos de Würzburg desenvolveram agora uma solução para este problema.
“Neutralizamos o campo elétrico usando duas correntes separadas em uma geometria que chamamos de dispositivo Corbino multiterminal”, explica Gould. "Com este novo truque, a resistência permanece quantizada em h/e
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até correntes maiores, tornando o padrão de resistência baseado em QAHE mais robusto."
A caminho da aplicação prática
Em seu estudo de viabilidade, os pesquisadores conseguiram mostrar que o novo método de medição funciona no nível de precisão oferecido pelas técnicas básicas de DC.
O próximo objetivo é testar a viabilidade deste método utilizando ferramentas metrológicas mais precisas. Para este fim, o grupo de Würzburg está a trabalhar em estreita colaboração com o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Instituto Nacional Alemão de Metrologia, PTB), especializado neste tipo de medições metrológicas ultraprecisas.
Gould também observa:"Este método não está limitado ao QAHE. Dado que o efeito Hall quântico convencional experimenta limitações semelhantes acionadas por campo elétrico em correntes suficientemente grandes, este método também pode melhorar os padrões metrológicos de última geração existentes, para aplicações onde ainda maiores correntes são úteis."
