Unidades elétricas fundamentais aproximam-se do padrão quântico

Com informações da Universidade de Wurzburg - 03/01/2025

Este é dispositivo desenvolvido para medir o padrão de resistência baseado no Efeito Hall Quântico Anômalo.
[Imagem: Fijalkowski/JMU]

Padrão quântico de resistência

A medição precisa da resistência elétrica é essencial na produção industrial e, de modo ainda mais crucial, na eletrônica, dos sensores e microchips aos controles de voo. Mesmo os menores desvios podem afetar significativamente esses sistemas complexos.

Para isso precisamos de instrumentos de precisão, e as exigências de precisão aumentam continuamente, em paralelo com a miniaturização e com o aumento de eficiência dos dispositivos.

Cientistas implementaram agora, pela primeira vez experimentalmente, um "padrão quântico de resistência", uma técnica de medição da resistência elétrica que pode operar sem a necessidade de aplicar um campo magnético externo.

"Na física, os padrões são usados como pontos de referência fixos para a medição precisa de grandezas físicas e a calibração de instrumentos de medição. Um padrão quântico opera com base em princípios invariantes da mecânica quântica, o que o torna extraordinariamente estável," explicou o professor Charles Gould, da Universidade de Wurzburg, na Alemanha.

Efeitos Hall

Talvez você já tenha ouvido falar do clássico efeito Hall: Quando uma corrente elétrica flui através de um condutor e é exposta a um campo magnético, gera-se uma tensão elétrica - a chamada tensão Hall. Dividir essa tensão pela corrente resulta na resistência Hall. E a resistência Hall aumenta à medida que o campo magnético é fortalecido.

Mas a coisa é diferente em condutores extremamente finos, abaixo de alguns nanômetros, mais conhecidos como nanofios: A partir de uma certa intensidade do campo magnético, a resistência não irá mais aumentar continuamente, em vez disso atingindo sempre os mesmos valores fixos. Em outras palavras, os resultados serão sempre passos discretos, com valores universais e independentes de quaisquer propriedades do dispositivo onde está sendo feita a medição. Isso é conhecido como Efeito Hall Quântico (EHQ).

O fato de a resistência no EHQ assumir valores universais torna-o a base ideal para a determinação do padrão de resistência. Ou seja, é um padrão quântico de resistência.

Detalhes do método de determinação quântica da resistência elétrica.
[Imagem: D. K. Patel et al. - 10.1038/s41928-024-01295-w]

Padrão quântico de resistência elétrica

Mas existe também um Efeito Hall Anômalo Quântico (EHQA), cuja característica especial é que ele permite que o efeito Hall quântico exista sem a presença de um campo magnético, o que o torna um padrão quântico de resistência ainda melhor.

"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 os padrões de tensão ao mesmo tempo, mas a medição do padrão de tensão só funciona sem campo magnético, então o EHQA é ideal para isso," explicou Gould.

Até agora, as medições do EHQA sob campo magnético externo zero não tinham a precisão exigida pelas aplicações modernas em metrologia quântica.

As novas medições, pela primeira vez, colocaram o padrão quântico EHQA livre de campo magnético em par com os primeiros padrões convencionais de resistência baseados em EHQ, atingindo os limites de precisão necessários.

Dá para melhorar

A medição do padrão de resistência quântica sem campo magnético externo deu certo, mas a técnica atual permanece limitada a temperaturas criogênicas e correntes baixas.

Para tornar a norma utilizável no futuro, por exemplo para a indústria, o método precisa ser melhorado. Para isso, a equipe continua trabalhando, não apenas em seu próprio laboratório, mas também em cooperação com entidades de metrologia dos órgãos reguladores nacionais e com outros grupos de pesquisa.

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