Forskare vid Tokyo Institute of Technology uppnådde exakt och helt reversibel omkoppling av polariteten för spänningen som produceras av den termoelektriska effekten över en guldövergång med en kontakt i atomskala. Styrningen av termoelektrisk spänning uppnåddes genom att mekaniskt förlänga kontakten. Denna teknik förväntas hitta tillämpningar inom termokraftgenerering, mättekniker inom materialvetenskap, och elektroniska enheter i fast tillstånd.

En spänningsskillnad skapas över en korsning av två ledningar som hålls vid olika temperaturer. Detta fenomen, kallas termoelektrisk effekt, har studerats i stor omfattning och använts i olika applikationer såsom termoelektriska kraftgeneratorer, termoelektriska kylskåp, och temperaturmätning. När tvärsnittet av korsningskontakten reduceras till ett fåtal atomer, kvantmekaniska effekter eller, specifikt, kvantinterferenser mellan elektroner påverkar transporten av elektroner över korsningen. Dessa störningar är starkt beroende av strukturen, inklusive små defekter, av kontakten i atomskala och omgivande material, som bestämmer elektriska egenskaper såsom konduktans och termoelektrisk spänning. Än så länge, kvantinterferenseffekt i metallkontakter i atomskala har inte funnit mycket tillämpning, på grund av svårigheten att exakt kontrollera atomära strukturer.

Akira Aiba, Manabu Kiguchi och deras kollegor vid Tokyo Tech demonstrerade experimentellt att storleken och tecknet på den termoelektriska spänningen över atomära guldövergångar kan kontrolleras genom att applicera en mekanisk påkänning för att deformera kontakten minutiöst och exakt medan strukturen av det omgivande materialet förblir opåverkad. Små deformationer utfördes genom böjning av korsningens substrat genom att använda en piezoelektrisk givare och genom att upprätthålla en lågtemperaturmiljö så att atomerna inte får tillräcklig kinetisk energi för att vibrera kraftigt och orsaka slumpmässiga deformationer av strukturen. Eftersom kontakten blev långsträckt, konduktansen minskade stegvis, och den termoelektriska spänningen varierade kraftigt med förändringar i tecken. Anmärkningsvärt, dessa förändringar var helt reversibla:de elektriska egenskaperna återställdes till sina initiala värden när kontakten komprimerades tillbaka till sin ursprungliga struktur.

Ett lämpligt töjningsintervall som orsakar en stegliknande förändring i konduktansen med en förändring i tecken på den termoelektriska spänningen användes för att skapa en spänningsomkopplare, dvs. en enhet som växlar spänning när den är förlängd eller komprimerad. En sådan förändring av tecken för termoelektrisk spänning över metallövergångar i atomskala observerades tidigare, men detta är första gången som teckenändringen kan kontrolleras förutsägbart och reversibelt. Intressant, spänningsomkopplaren som utvecklats av dessa forskare visade sig fungera tillförlitligt under minst 20 cykler av förlängning och kompression.

Ytterligare, forskarna har teoretiskt bevisat att omkopplingen orsakas av förändringen av elektronernas kvantinterferenstillstånd på grund av den mekaniska modifieringen av kontaktens struktur. En teoretisk modell av korsningen som forskarna konstruerade med hjälp av densitetsfunktionsteori förutspådde exakt förändringar av elektriska egenskaper med varierande deformation.

Detta är den första rapporten om framgångsrik manipulation av kvantinterferens av elektroner i metallnanostrukturer genom yttre mekanisk kraft. Resultaten av denna studie kan ha potentiella tillämpningar inom termokraftgenerering, mättekniker inom materialvetenskap, och elektroniska enheter i fast tillstånd.