עתיד נטול שדה: עליית הדיוק הקוונטי באלקטרוניקה

חוקרים מאוניברסיטת וירצבורג פיתחו שיטה שיכולה לשפר את הביצועים של תקני עמידות קוונטית. הוא מבוסס על תופעה קוונטית הנקראת אפקט הול הקוואנטום.

מדידה מדויקת של התנגדות חשמלית חיונית בייצור תעשייתי של אלקטרוניקה – למשל, בייצור חיישני היי-טק, שבבים ובקרות טיסה. "מדידות מאוד מדויקות חיוניות כאן, שכן אפילו הסטיות הקטנות ביותר יכולות להשפיע באופן משמעותי על מערכות מורכבות אלה", מסביר פרופסור צ'רלס גולד, פיזיקאי במכון למבודדים טופולוגיים באוניברסיטת וירצבורג (JMU).

"עם שיטת המדידה החדשה שלנו, אנחנו יכולים לשפר באופן משמעותי את דיוק של מדידות התנגדות, ללא כל שדה מגנטי חיצוני, תוך שימוש ב-Quantum Anomalous Hall Effect (QAHE).

איך השיטה החדשה עובדת

אנשים רבים עשויים לזכור את אפקט הול הקלאסי משיעורי הפיזיקה שלהם: כאשר זרם זורם דרך מוליך והוא נחשף לשדה מגנטי, נוצר מתח – מה שנקרא מתח הול. התנגדות הול, המתקבלת על ידי חלוקת מתח זה בזרם, עולה ככל שעוצמת השדה המגנטי עולה. בשכבות דקות ובשדות מגנטיים גדולים מספיק, התנגדות זו מתחילה לפתח שלבים דיסקרטיים עם ערכים של h/ne2 בדיוק, כאשר h הוא הקבוע של פלאנק, e הוא המטען היסודי, ו-n הוא מספר שלם. זה ידוע בתור אפקט הול הקוונטי מכיוון שההתנגדות תלויה רק ​​בקבועים בסיסיים של הטבע (h ו-e), מה שהופך אותו לנגד סטנדרטי אידיאלי.

המאפיין המיוחד של ה-QAHE הוא שהוא מאפשר לאפקט הול הקוונטי להתקיים באפס שדה מגנטי. "הפעולה בהיעדר כל שדה מגנטי חיצוני לא רק מפשטת את הניסוי, אלא גם נותנת יתרון בכל הנוגע לקביעת כמות פיזיקלית אחרת: הק"ג. כדי להגדיר קילוגרם, צריך למדוד את ההתנגדות החשמלית ואת המתח בו-זמנית", אומר גולד, "אבל מדידת המתח פועלת רק ללא שדה מגנטי, כך שה-QAHE אידיאלי לכך".

עד כה, ה-QAHE נמדד רק בזרמים נמוכים בהרבה לשימוש מטרולוגי מעשי. הסיבה לכך היא שדה חשמלי שמשבש את ה-QAHE בזרמים גבוהים יותר. הפיזיקאים של וירצבורג פיתחו כעת פתרון לבעיה זו. "אנו מנטרלים את השדה החשמלי באמצעות שני זרמים נפרדים בגיאומטריה שאנו מכנים התקן רב-טרמינלי קורבינו", מסביר גולד. "עם הטריק החדש הזה, ההתנגדות נשארת כמותית ל-h/e2 עד זרמים גדולים יותר, מה שהופך את תקן ההתנגדות המבוסס על QAHE לחזק יותר."

בדרך ליישום מעשי

במחקר ההיתכנות שלהם, החוקרים הצליחו להראות ששיטת המדידה החדשה עובדת ברמת הדיוק שמציעה טכניקות DC בסיסיות. המטרה הבאה שלהם היא לבדוק את ההיתכנות של שיטה זו באמצעות כלים מטרולוגיים מדויקים יותר. לשם כך, קבוצת וירצבורג עובדת בשיתוף פעולה הדוק עם Physikalisch-Technische Bundesanstalt (המכון הלאומי למטרולוגיה גרמנית, PTB), המתמחה בסוג זה של מדידות מטרולוגיות מדויקות במיוחד.

גולד מציין גם: "שיטה זו אינה מוגבלת ל-QAHE. בהתחשב בכך שאפקט הול הקוונטי הקונבנציונלי חווה מגבלות דומות מונעות שדה חשמלי בזרמים גדולים מספיק, שיטה זו יכולה גם לשפר את הסטנדרטים המטרולוגיים המתקדמים ביותר, עבור יישומים שבהם זרמים גדולים אפילו יותר מועילים."