I ricercatori dell'Università di Würzburg hanno sviluppato un metodo in grado di migliorare le prestazioni degli standard di resistenza quantistica. Si basa su un fenomeno quantistico chiamato effetto Hall anomalo quantistico.
La misurazione precisa della resistenza elettrica è essenziale nella produzione industriale o nell'elettronica, ad esempio nella produzione di sensori high-tech, microchip e controlli di volo. "In questo caso sono essenziali misurazioni molto precise, poiché anche le più piccole deviazioni possono influenzare in modo significativo questi sistemi complessi", spiega il professor Charles Gould, fisico presso l'Istituto per gli isolanti topologici dell'Università di Würzburg (JMU).
"Con il nostro nuovo metodo di misurazione, possiamo migliorare significativamente la precisione delle misurazioni della resistenza, senza alcun campo magnetico esterno, utilizzando l'effetto Hall anomalo quantistico (QAHE)."
La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Electronics .
Molte persone forse ricordano il classico effetto Hall dalle lezioni di fisica:quando una corrente scorre attraverso un conduttore ed è esposto a un campo magnetico, viene creata una tensione, la cosiddetta tensione di Hall. La resistenza Hall, ottenuta dividendo questa tensione per corrente, aumenta all'aumentare dell'intensità del campo magnetico.
In strati sottili e con campi magnetici sufficientemente grandi, questa resistenza inizia a sviluppare passi discreti con valori esattamente di h/ne 2 , dove h è la costante di Planck, e è la carica elementare e n è un numero intero. Questo è noto come effetto Hall quantistico perché la resistenza dipende solo dalle costanti fondamentali della natura (h ed e), il che lo rende un resistore standard ideale.
La particolarità del QAHE è che consente all'effetto Hall quantistico di esistere con un campo magnetico pari a zero. "L'operazione in assenza di campo magnetico esterno non solo semplifica l'esperimento, ma dà anche un vantaggio quando si tratta di determinare un'altra grandezza fisica:il chilogrammo. Per definire un chilogrammo, bisogna misurare la resistenza elettrica e la tensione a allo stesso tempo", spiega Gould, "ma la misurazione della tensione funziona solo senza campo magnetico, quindi il QAHE è l'ideale per questo."
Finora, il QAHE è stato misurato solo a correnti troppo basse per l’uso metrologico pratico. La ragione di ciò è un campo elettrico che interrompe il QAHE a correnti più elevate. I fisici di Würzburg hanno ora sviluppato una soluzione a questo problema.
"Neutralizziamo il campo elettrico utilizzando due correnti separate in una geometria che chiamiamo dispositivo Corbino multiterminale", spiega Gould. "Con questo nuovo trucco, la resistenza rimane quantizzata a h/e 2 fino a correnti maggiori, rendendo lo standard di resistenza basato su QAHE più robusto."
Nel loro studio di fattibilità, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il nuovo metodo di misurazione funziona al livello di precisione offerto dalle tecniche DC di base.
Il loro prossimo obiettivo è testare la fattibilità di questo metodo utilizzando strumenti metrologici più precisi. A tal fine, il gruppo di Würzburg sta lavorando a stretto contatto con il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Istituto nazionale tedesco di metrologia, PTB), specializzato in questo tipo di misurazioni metrologiche ultra precise.
Gould nota inoltre:"Questo metodo non è limitato al QAHE. Dato che l'effetto Hall quantistico convenzionale subisce limitazioni simili guidate dal campo elettrico a correnti sufficientemente grandi, questo metodo può anche migliorare gli standard metrologici all'avanguardia esistenti, per applicazioni in cui anche più grandi le correnti sono utili."
Ulteriori informazioni: Kajetan M. Fijalkowski et al, Un resistore Hall quantistico bilanciato, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01156-6
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
Fornito da Julius-Maximilians-Universität Würzburg
