Controllo della tensione termoelettrica (TV) e della conduttanza (G) con la variazione periodica dell'allungamento del contatto (D). Gli allungamenti in (a) e (b) erano 0,73 nm e 0,10 nm con differenze di temperatura di 10 K e 4,4 K, rispettivamente. Credito: Rapporti scientifici
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno ottenuto una commutazione precisa e completamente reversibile della polarità della tensione prodotta dall'effetto termoelettrico attraverso una giunzione in oro con un contatto su scala atomica. Il controllo della tensione termoelettrica è stato ottenuto allungando meccanicamente il contatto. Questa tecnologia dovrebbe trovare applicazioni nella generazione di energia termica, tecniche di misura nella scienza dei materiali, e dispositivi elettronici allo stato solido.
Viene creata una differenza di tensione attraverso una giunzione di due fili tenuti a temperature diverse. Questo fenomeno, chiamato effetto termoelettrico, è stato ampiamente studiato ed utilizzato in svariate applicazioni quali generatori di energia termoelettrica, frigoriferi termoelettrici, e misurazione della temperatura. Quando la sezione trasversale del contatto di giunzione è ridotta a pochi atomi, effetti quanto-meccanici o, nello specifico, le interferenze quantistiche tra gli elettroni influenzano il trasporto degli elettroni attraverso la giunzione. Queste interferenze sono fortemente dipendenti dalla struttura, compresi piccoli difetti, del contatto su scala atomica e del materiale circostante, che determinano proprietà elettriche come conduttanza e tensione termoelettrica. Finora, l'effetto di interferenza quantistica nei contatti metallici su scala atomica non ha trovato molta applicazione, a causa della difficoltà nel controllare con precisione le strutture atomiche.
Akira Aiba, Manabu Kiguchi e i loro colleghi della Tokyo Tech hanno dimostrato sperimentalmente che l'entità e il segno della tensione termoelettrica attraverso le giunzioni d'oro su scala atomica possono essere controllati applicando uno sforzo meccanico per deformare il contatto in modo minuzioso e accurato mentre la struttura del materiale circostante rimane inalterata. Piccole deformazioni sono state eseguite piegando il substrato della giunzione utilizzando un trasduttore piezoelettrico e mantenendo un ambiente a bassa temperatura in modo che gli atomi non acquisissero energia cinetica sufficiente per vibrare fortemente e causare deformazioni casuali della struttura. Poiché il contatto è stato allungato, la conduttanza è diminuita gradualmente, e la tensione termoelettrica variava bruscamente con variazioni di segno. Sorprendentemente, questi cambiamenti erano perfettamente reversibili:le proprietà elettriche sono state riportate ai loro valori iniziali quando il contatto è stato compresso nella sua struttura iniziale.
Per creare un interruttore di tensione è stato utilizzato un intervallo adeguato di allungamento che provoca una variazione graduale della conduttanza con un cambiamento di segno della tensione termoelettrica, cioè., un dispositivo che commuta la tensione quando allungato o compresso. Un tale cambiamento di segno della tensione termoelettrica attraverso giunzioni metalliche su scala atomica è stato osservato in precedenza, ma questa è la prima volta che il cambiamento di segno può essere controllato in modo prevedibile e reversibile. interessante, l'interruttore di tensione sviluppato da questi scienziati ha dimostrato di funzionare in modo affidabile su almeno 20 cicli di allungamento e compressione.
Vista schematica del setup sperimentale. L'inserto mostra immagini microscopiche del contatto dopo che è stato rotto dall'allungamento. Credito: Rapporti scientifici
Ulteriore, gli scienziati hanno teoricamente dimostrato che la commutazione è causata dal cambiamento degli stati di interferenza quantistica degli elettroni a causa della modifica meccanica della struttura del contatto. Un modello teorico della giunzione che gli scienziati hanno costruito utilizzando la teoria del funzionale della densità ha previsto con precisione i cambiamenti delle proprietà elettriche al variare della deformazione.
Questo è il primo rapporto sulla manipolazione riuscita dell'interferenza quantistica degli elettroni nelle nanostrutture metalliche attraverso la forza meccanica esterna. I risultati di questo studio possono avere potenziali applicazioni nella generazione di energia termoelettrica, tecniche di misura nella scienza dei materiali, e dispositivi elettronici allo stato solido.
