Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology bereikten een nauwkeurige en volledig omkeerbare omschakeling van de polariteit van de spanning geproduceerd door het thermo-elektrische effect over een gouden junctie met een contact op atomaire schaal. De regeling van de thermo-elektrische spanning werd bereikt door het contact mechanisch te verlengen. Deze technologie zal naar verwachting toepassingen vinden in de opwekking van thermo-energie, meettechnieken in de materiaalkunde, en solid-state elektronische apparaten.

Een spanningsverschil wordt gecreëerd over een kruising van twee draden die op verschillende temperaturen worden gehouden. Dit fenomeen, thermo-elektrisch effect genoemd, is op grote schaal bestudeerd en gebruikt in verschillende toepassingen, zoals thermo-elektrische stroomgeneratoren, thermo-elektrische ijskasten, en temperatuurmeting. Wanneer de doorsnede van het junctiecontact wordt teruggebracht tot enkele atomen, kwantummechanische effecten of, specifiek, kwantuminterferenties tussen elektronen beïnvloeden het transport van elektronen over de junctie. Deze interferenties zijn sterk afhankelijk van de structuur, inclusief minieme defecten, van het contact op atomaire schaal en het omringende materiaal, die elektrische eigenschappen zoals geleiding en thermo-elektrische spanning bepalen. Tot dusver, kwantuminterferentie-effect in metalen contacten op atomaire schaal heeft niet veel toepassing gevonden, vanwege de moeilijkheid om atomaire structuren nauwkeurig te controleren.

Akira Aiba, Manabu Kiguchi en hun collega's van Tokyo Tech hebben experimenteel aangetoond dat de grootte en het teken van de thermo-elektrische spanning over gouden knooppunten op atomaire schaal kan worden gecontroleerd door een mechanische spanning toe te passen om het contact minutieus en nauwkeurig te vervormen terwijl de structuur van het omringende materiaal onaangetast blijft. Minieme vervormingen werden uitgevoerd door het substraat van de junctie te buigen met behulp van een piëzo-elektrische transducer en door een omgeving met lage temperaturen te handhaven, zodat de atomen niet voldoende kinetische energie krijgen om sterk te trillen en willekeurige vervormingen van de structuur te veroorzaken. Omdat het contact lang was, de geleidbaarheid nam stapsgewijs af, en de thermo-elektrische spanning varieerde sterk met veranderingen in teken. Opmerkelijk, deze veranderingen waren perfect omkeerbaar:de elektrische eigenschappen werden hersteld naar hun oorspronkelijke waarden toen het contact werd teruggecomprimeerd tot zijn oorspronkelijke structuur.

Een geschikt rekbereik dat een stapsgewijze verandering in geleiding veroorzaakt met een verandering in teken van de thermo-elektrische spanning, werd gebruikt om een ​​spanningsschakelaar te creëren, d.w.z., een apparaat dat van spanning wisselt wanneer het langwerpig of gecomprimeerd is. Een dergelijke verandering van teken van thermo-elektrische spanning over metalen knooppunten op atoomschaal werd eerder waargenomen, maar dit is de eerste keer dat de tekenverandering voorspelbaar en omkeerbaar kan worden gecontroleerd. interessant, de door deze wetenschappers ontwikkelde spanningsschakelaar bleek betrouwbaar te werken gedurende ten minste 20 cycli van verlenging en compressie.

Verder, de wetenschappers hebben theoretisch bewezen dat het schakelen wordt veroorzaakt door de verandering van kwantuminterferentietoestanden van elektronen als gevolg van de mechanische wijziging van de structuur van het contact. Een theoretisch model van de kruising dat de wetenschappers construeerden met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie voorspelde nauwkeurig de veranderingen van elektrische eigenschappen met variërende vervorming.

Dit is het eerste rapport van succesvolle manipulatie van kwantuminterferentie van elektronen in metalen nanostructuren door externe mechanische kracht. De resultaten van deze studie kunnen potentiële toepassingen hebben in de opwekking van thermo-energie, meettechnieken in de materiaalkunde, en solid-state elektronische apparaten.