Εκπληκτικά καλώδια χωρίς αντίσταση

Από σελίδα του PhysicsWeb 3-Μαϊου-2001

Η ηλεκτρική αντίσταση προκαλείται όταν οι φορείς του ρεύματος, είτε είναι ηλεκτρόνια είτε οπές συγκρούονται με τις ατέλειες του πλέγματος του μετάλλου καθώς διέρχονται από αυτό. Θεωρητικά τότε, ένας τέλειος κρυσταλλικός αγωγός δεν θα παρουσιάζει αντίσταση. Ωστόσο εδώ και μια δεκαετία τα πειράματα έδειξαν ότι αγωγοί που θεωρητικά δεν είχαν ατέλειες εξακολουθούσαν να παρουσιάζουν αντιστάσεις μερικών Kilo-Ohm. Τώρα ο Rafael de Piccioto των εργαστηρίων Bell στις ΗΠΑ και οι συνεργάτες του έδειξαν για πρώτη φορά ότι η αντίσταση μηδενίζεται σ’ ένα μικρό αλλά τέλεια σχηματισμένο σύρμα. Επιβεβαίωσαν επίσης ότι η αντίσταση που μετρούσαμε στα προηγούμενα πειράματα παρόμοιων κατασκευών οφειλόταν ολοκληρωτικά στην αντίσταση των επαφών των μετρητικών συσκευών. (R de Picciotto et al 2001 Nature 411 51).

Ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντιστάσεις θα μπορούσε να έχει τρομακτικό ενδιαφέρον για την ηλεκτρονική βιομηχανία. Συνήθως το φαινόμενο αυτό σχετίζεται με την υπεραγωγιμότητα. Αλλά οι “βαλλιστικοί κβαντικοί αγωγοί” θα μπορούσαν να προσφέρουν μια εναλλακτική λύση.
Αυτοί είναι μικροσκοπικές κατασκευές σχεδόν ελεύθερες από ατέλειες -όπως πχ προσμίξεις και μετατοπίσεις πλέγματος- οι οποίες είναι εκείνες που προκαλούν την αντίσταση στους συνηθισμένους αγωγούς. Η ομάδα του de Piccioto πέτυχε να διαχωρίσει την εσωτερική αντίσταση του σύρματος από την αντίσταση των επαφών με τις συσκευές μέσω των οποίων μετράμε την αντίσταση.

Ο de Piccioto και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια ειδική τεχνική γνωστή ως “ ανάπτυξη με απομονωμένα άκρα σαν τομές” για να σχηματίσουν ένα στρώμα αρσενικικού γαλίου πάνω σε μια φέτα από αρσενικικό γάλιο-αργίλιο. Αυτή η ανάπτυξη είχε ως αποτέλεσμα μια στρωμάτωση με εξαιρετικά επίπεδα και λεία άκρα. Στη συνέχεια η ομάδα απόθεσε μεταλλικά μικροσκοπικά ηλεκτρόδια εισόδου και εξόδου του ρεύματος στο επάνω μέρος της διάταξης και εφάρμοσε μια τάση σ’ αυτά.
Αυτή η διαφορά δυναμικού ουσιαστικά εφαρμόζεται μόνο στο άνω λείο άκρο της συσκευής, το ρεύμα κυκλοφορεί μόνο σ’ αυτό και το κάνει να συμπεριφέρεται σαν μονοδιάστατο σύρμα. Το σύρμα λέγεται βαλλιστικό διότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να διανύσουν ολόκληρο το μήκος του πριν συναντήσουν μια ατέλεια. 

Δύο επιπλέον μεταλλικές επαφές τοποθετούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων εισόδου-εξόδου ώστε να μπορεί να μετρηθεί η αντίσταση του σύρματος.
Όταν μια αρνητική τάση εφαρμοστεί σ’ αυτά τα ηλεκτρόδια, το στρώμα του ημιαγωγού που βρίσκεται κάτω από αυτά απογυμνώνεται από ηλεκτρόνια αλλά αυτό δεν επηρεάζει το κβαντικό σύρμα. Αυτές οι απογυμνωμένες περιοχές τότε δρουν ως ακροδέκτες μέτρησης τάσης με μηδενική αντίσταση, και έτσι μπόρεσε να μετρηθεί η αντίσταση του κβαντικού σύρματος.
Το συμπέρασμα της ομάδας, ότι η αντίσταση που μετρήθηκε σε προηγούμενα πειράματα προερχόταν αποκλειστικά από τις επαφές, δίνει νέες προοπτικές στα όρια των μελλοντικών κυκλωμάτων που θα βασίζονται σε κβαντικά σύρματα.