Corriente persistente

En física , la corriente persistente es una corriente eléctrica perpetua que no requiere una fuente de energía externa. Una corriente de este tipo es imposible en los dispositivos eléctricos normales, ya que todos los conductores de uso común tienen una resistencia distinta de cero, y esta resistencia disiparía rápidamente cualquier corriente de este tipo como calor. Sin embargo, en superconductores y algunos dispositivos mesoscópicos , las corrientes persistentes son posibles y se observan debido a los efectos cuánticos . En materiales resistivos, las corrientes persistentes pueden aparecer en muestras microscópicas debido a los efectos del tamaño. Las corrientes persistentes se utilizan ampliamente en forma de imanes superconductores .

En electromagnetismo, todas las magnetizaciones pueden considerarse como corrientes microscópicas persistentes. Por definición, una magnetización puede sustituirse por su forma microscópica correspondiente, que es una densidad de corriente eléctrica:${\displaystyle \mathbf {M}}$

${\displaystyle \mathbf {J} =\nabla \times \mathbf {M} }$.

Esta corriente es una corriente ligada, que no tiene ninguna acumulación de carga asociada a ella, ya que no tiene divergencia . Esto significa que cualquier objeto magnetizado permanentemente, por ejemplo, un trozo de piedra imán , puede considerarse que tiene corrientes eléctricas persistentes que lo recorren (las corrientes persistentes generalmente se concentran cerca de la superficie).

La inversa también es cierta: cualquier corriente eléctrica persistente está libre de divergencias y, por lo tanto, puede representarse en su lugar mediante una magnetización. Por lo tanto, en las ecuaciones macroscópicas de Maxwell , es puramente una elección de conveniencia matemática si se representan corrientes persistentes como magnetización o viceversa. Sin embargo, en la formulación microscópica de las ecuaciones de Maxwell, no aparece y, por lo tanto, cualquier magnetización debe representarse en su lugar mediante corrientes ligadas.${\displaystyle \mathbf {M} }$

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En los superconductores , la carga puede fluir sin ninguna resistencia. Es posible fabricar piezas de superconductores con una gran corriente persistente incorporada, ya sea creando el estado superconductor (enfriando el material) mientras la carga fluye a través de él, o cambiando el campo magnético alrededor del superconductor después de crear el estado superconductor. ^[1] Este principio se utiliza en electroimanes superconductores para generar campos magnéticos altos y sostenidos que solo requieren una pequeña cantidad de energía para mantenerse. La corriente persistente fue identificada por primera vez por H. Kamerlingh Onnes , y los intentos de establecer un límite inferior para su duración han alcanzado valores de más de 100.000 años. ^[2]

Sorprendentemente, también es posible tener pequeñas corrientes persistentes dentro de metales resistivos que se colocan en un campo magnético, incluso en metales que nominalmente son "no magnéticos". ^[4] La corriente es el resultado de un efecto mecánico cuántico que influye en cómo viajan los electrones a través de los metales y surge del mismo tipo de movimiento que permite que los electrones dentro de un átomo orbiten el núcleo para siempre.

Este tipo de corriente persistente es un efecto mesoscópico de baja temperatura: la magnitud de la corriente se vuelve apreciable cuando el tamaño del sistema metálico se reduce a la escala de la longitud de coherencia de fase cuántica del electrón y la longitud térmica. Las corrientes persistentes disminuyen con el aumento de la temperatura y desaparecerán exponencialmente por encima de una temperatura conocida como la temperatura de Thouless. Esta temperatura escala como la inversa del diámetro del circuito al cuadrado. ^[3] En consecuencia, se ha sugerido que las corrientes persistentes podrían fluir hasta la temperatura ambiente y más en estructuras metálicas nanométricas como nanopartículas de metal (Au, Ag, ...) . Esta hipótesis se ha ofrecido para explicar las propiedades magnéticas singulares de las nanopartículas hechas de oro y otros metales. ^[5] A diferencia de los superconductores, estas corrientes persistentes no aparecen en el campo magnético cero, ya que la corriente fluctúa simétricamente entre valores positivos y negativos; el campo magnético rompe esa simetría y permite una corriente promedio distinta de cero. Aunque la corriente persistente en un anillo individual es en gran medida impredecible debido a factores no controlados como la configuración del desorden, tiene un ligero sesgo de modo que aparece una corriente persistente promedio incluso para un conjunto de conductores con diferentes configuraciones de desorden. ^[6]

En 1983, Markus Büttiker, Yoseph Imry y Rolf Landauer predijeron por primera vez que este tipo de corriente persistente se podía observar experimentalmente en anillos de escala micrométrica . ^[7] Debido a que el efecto requiere la coherencia de fase de los electrones alrededor de todo el anillo, la corriente no se puede observar cuando el anillo se interrumpe con un amperímetro y, por lo tanto, la corriente debe medirse indirectamente a través de su magnetización . De hecho, todos los metales exhiben cierta magnetización en campos magnéticos debido a una combinación del efecto de Haas-van Alphen , el diamagnetismo del núcleo , el diamagnetismo de Landau y el paramagnetismo de Pauli , que aparecen independientemente de la forma del metal. La magnetización adicional de la corriente persistente se vuelve fuerte con una forma de anillo conectada y, por ejemplo, desaparecería si se cortara el anillo. ^[6]

La evidencia experimental de la observación de corrientes persistentes fue reportada por primera vez en 1990 por un grupo de investigación en los Laboratorios Bell usando un resonador superconductor para estudiar una matriz de anillos de cobre . ^[8] Mediciones posteriores usando resonadores superconductores y magnetómetros extremadamente sensibles conocidos como dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUIDs) produjeron resultados inconsistentes. ^[9] En 2009, físicos de la Universidad de Stanford usando un SQUID de barrido ^[10] y de la Universidad de Yale usando voladizos microelectromecánicos ^[3] reportaron mediciones de corrientes persistentes en anillos de oro y aluminio a nanoescala respectivamente que mostraron un fuerte acuerdo con la teoría simple para electrones no interactuantes.

"Se trata de anillos metálicos ordinarios, no superconductores, que normalmente consideramos resistencias, pero cuyas corrientes fluirán eternamente, incluso en ausencia de voltaje aplicado".

—  Jack Harris, profesor asociado de Física y Física Aplicada en Yale.

Las mediciones de 2009 indicaron una mayor sensibilidad a las corrientes persistentes que las mediciones anteriores y realizaron varias otras mejoras en la detección de corrientes persistentes. La capacidad del detector SQUID de escaneo para cambiar la posición del detector SQUID en relación con la muestra de anillo permitió medir una cantidad de anillos en un chip de muestra y una mejor extracción de la señal de corriente del ruido de fondo . La técnica de detección mecánica del detector en voladizo hizo posible medir los anillos en un entorno electromagnético limpio en un amplio rango de campo magnético y también medir una cantidad de anillos en un chip de muestra. ^[11]