Contrôle de la tension thermoélectrique (VT) et de la conductance (G) avec la variation périodique d'allongement du contact (D). Les allongements en (a) et (b) étaient de 0,73 nm et 0,10 nm avec des différences de température de 10 K et 4,4 K, respectivement. Crédit: Rapports scientifiques
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont obtenu une commutation précise et entièrement réversible de la polarité de la tension produite par l'effet thermoélectrique à travers une jonction en or avec un contact à l'échelle atomique. Le contrôle de la tension thermoélectrique a été réalisé en allongeant mécaniquement le contact. Cette technologie devrait trouver des applications dans la production d'énergie thermique, techniques de mesure en science des matériaux, et les appareils électroniques à semi-conducteurs.
Une différence de tension est créée à travers une jonction de deux fils maintenus à des températures différentes. Ce phénomène, appelé effet thermoélectrique, a été largement étudié et utilisé dans diverses applications telles que les générateurs d'énergie thermoélectrique, réfrigérateurs thermoélectriques, et mesure de la température. Lorsque la section transversale du contact de jonction est réduite à quelques atomes, effets de mécanique quantique ou, Plus précisément, les interférences quantiques entre les électrons affectent le transport des électrons à travers la jonction. Ces interférences sont fortement dépendantes de la structure, y compris les défauts infimes, du contact à l'échelle atomique et du matériau environnant, qui déterminent les propriétés électriques telles que la conductance et la tension thermoélectrique. Jusque là, l'effet d'interférence quantique dans les contacts métalliques à l'échelle atomique n'a pas trouvé beaucoup d'applications, en raison de la difficulté de contrôler précisément les structures atomiques.
Akira Aiba, Manabu Kiguchi et leurs collègues de Tokyo Tech ont démontré expérimentalement que l'amplitude et le signe de la tension thermoélectrique à travers les jonctions d'or à l'échelle atomique peuvent être contrôlés en appliquant une contrainte mécanique pour déformer le contact de manière minutieuse et précise tandis que la structure du matériau environnant reste inchangée. Des déformations infimes ont été réalisées par flexion du substrat de la jonction en utilisant un transducteur piézoélectrique et en maintenant un environnement à basse température afin que les atomes ne gagnent pas suffisamment d'énergie cinétique pour vibrer fortement et provoquer des déformations aléatoires de la structure. Au fur et à mesure que le contact s'allongeait, la conductance diminue progressivement, et la tension thermoélectrique variait fortement avec les changements de signe. Remarquablement, ces changements étaient parfaitement réversibles :les propriétés électriques ont été restaurées à leurs valeurs initiales lorsque le contact a été comprimé de nouveau à sa structure initiale.
Une plage d'allongement appropriée qui provoque un changement de conductance par paliers avec un changement de signe de la tension thermoélectrique a été utilisée pour créer un commutateur de tension, c'est à dire., un appareil qui commute la tension lorsqu'il est allongé ou comprimé. Un tel changement de signe de la tension thermoélectrique à travers les jonctions métalliques à l'échelle de l'atome a été observé précédemment, mais c'est la première fois que le changement de signe peut être contrôlé de manière prévisible et réversible. De façon intéressante, le commutateur de tension développé par ces scientifiques s'est avéré fonctionner de manière fiable sur au moins 20 cycles d'allongement et de compression.
Vue schématique du montage expérimental. L'encart montre des images microscopiques du contact après sa rupture par allongement. Crédit: Rapports scientifiques
Plus loin, les scientifiques ont théoriquement prouvé que la commutation est causée par le changement d'états d'interférence quantique des électrons en raison de la modification mécanique de la structure du contact. Un modèle théorique de la jonction que les scientifiques ont construit en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité a prédit avec précision les changements de propriétés électriques avec une déformation variable.
Il s'agit du premier rapport de manipulation réussie de l'interférence quantique d'électrons dans des nanostructures métalliques par le biais d'une force mécanique externe. Les résultats de cette étude peuvent avoir des applications potentielles dans la production d'énergie thermique, techniques de mesure en science des matériaux, et les appareils électroniques à semi-conducteurs.
