Corrent persistent

En física, el corrent persistent és un corrent elèctric perpetu que no requereix una font d'alimentació externa. Aquest corrent és impossible en dispositius elèctrics normals, ja que tots els conductors d'ús comú tenen una resistència diferent de zero, i aquesta resistència dissiparia ràpidament qualsevol corrent d'aquest tipus com a calor. Tanmateix, en superconductors i alguns dispositius mesoscòpics, els corrents persistents són possibles i s'observen a causa dels efectes quàntics. En materials resistius, els corrents persistents poden aparèixer en mostres microscòpiques a causa dels efectes de la mida. Els corrents persistents s'utilitzen àmpliament en forma d'imants superconductors.

En objectes magnetitzats

En electromagnetisme, totes les magnetitzacions es poden veure com a corrents persistents microscòpics. Per definició, una magnetització $\mathbf {M}$ es pot substituir per la seva forma microscòpica corresponent, que és una densitat de corrent elèctric:

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

Aquest corrent és un corrent lligat, sense cap acumulació de càrrega associada, ja que no té divergència. Això significa que qualsevol objecte magnetitzat permanentment, per exemple un tros de pedra imanta, es pot considerar que té corrents elèctrics persistents que el recorren (els corrents persistents generalment es concentren prop de la superfície).

El contrari també és cert: qualsevol corrent elèctric persistent no té divergència i, per tant, es pot representar mitjançant una magnetització. Per tant, en les equacions macroscòpiques de Maxwell, és purament una elecció de conveniència matemàtica representar els corrents persistents com a magnetització o viceversa. En la formulació microscòpica de les equacions de Maxwell, però, $\mathbf {M}$ no apareix i, per tant, qualsevol magnetització s'ha de representar mitjançant corrents lligats.

En superconductors

En els superconductors, la càrrega pot fluir sense cap resistència. És possible fabricar peces de superconductor amb un gran corrent persistent integrat, ja sigui creant l'estat superconductor (refredant el material) mentre la càrrega flueix a través d'ell, o canviant el camp magnètic al voltant del superconductor després de crear l'estat superconductor. Aquest principi s'utilitza en electroimants superconductors per generar camps magnètics alts sostinguts que només requereixen una petita quantitat d'energia per mantenir-se. El corrent persistent va ser identificat per primera vegada per H. Kamerlingh Onnes, i els intents d'establir un límit inferior a la seva durada han arribat a valors de més de 100.000 anys.

En conductors resistius

Esquema del corrent persistent. La fletxa verda indica la direcció del camp magnètic estàtic aplicat B, que permet que flueixi un corrent net I (fletxa blava) i creï una magnetització M (fletxa negra) trencant la simetria entre els corrents en sentit horari i antihorari. El punt groc representa un electró que travessa el material desordenat de l'anell (estrelles verdes) sense dissipació. Un corrent d'anell típic és d'1 nanoampere per a un diàmetre d'anell de 0,6 micròmetres a una temperatura inferior a 0,5 kelvin.

Sorprenentment, també és possible tenir corrents persistents minúsculs dins de metalls resistius que es col·loquen en un camp magnètic, fins i tot en metalls que nominalment són "no magnètics". El corrent és el resultat d'un efecte mecànic quàntic que influeix en com els electrons viatgen a través dels metalls i sorgeix del mateix tipus de moviment que permet que els electrons dins d'un àtom orbitin al voltant del nucli per sempre.

Aquest tipus de corrent persistent és un efecte mesoscòpic de baixa temperatura: la magnitud del corrent es fa apreciable quan la mida del sistema metàl·lic es redueix a l'escala de la longitud de coherència de la fase quàntica de l'electró i la longitud tèrmica. Els corrents persistents disminueixen amb l'augment de la temperatura i desapareixeran exponencialment per sobre d'una temperatura coneguda com a temperatura de Thouless. Aquesta temperatura s'escala com la inversa del quadrat del diàmetre del circuit. En conseqüència, s'ha suggerit que els corrents persistents podrien fluir fins a la temperatura ambient i més enllà en estructures metàl·liques nanomètriques com ara nanopartícules metàl·liques (Au, Ag,...). Aquesta hipòtesi s'ha ofert per explicar les propietats magnètiques singulars de les nanopartícules fetes d'or i altres metalls. A diferència dels superconductors, aquests corrents persistents no apareixen a un camp magnètic zero, ja que el corrent fluctua simètricament entre valors positius i negatius; el camp magnètic trenca aquesta simetria i permet un corrent mitjà diferent de zero. Tot i que el corrent persistent en un anell individual és en gran part imprevisible a causa de factors no controlats com la configuració del desordre, té un lleuger biaix de manera que apareix un corrent persistent mitjà fins i tot per a un conjunt de conductors amb diferents configuracions de desordre.

Aquest tipus de corrent persistent va ser predit per primera vegada com a observable experimentalment en anells a escala micromètrica el 1983 per Markus Büttiker, Yoseph Imry i Rolf Landauer. Com que l'efecte requereix la coherència de fase dels electrons al voltant de tot l'anell, el corrent no es pot observar quan l'anell s'interromp per un amperímetre i, per tant, el corrent s'ha de mesurar indirectament a través de la seva magnetització. De fet, tots els metalls presenten certa magnetització en camps magnètics a causa d'una combinació de l'efecte de Haas-van Alphen, el diamagnetisme del nucli, el diamagnetisme de Landau i el paramagnetisme de Pauli, que apareixen independentment de la forma del metall. La magnetització addicional del corrent persistent esdevé forta amb una forma d'anell connectada i, per exemple, desapareixeria si es tallés l'anell.

Les primeres proves experimentals de l'observació de corrents persistents van ser reportades el 1990 per un grup de recerca dels Laboratoris Bell que utilitzava un ressonador superconductor per estudiar una matriu d'anells de coure. Mesures posteriors utilitzant ressonadors superconductors i magnetòmetres extremadament sensibles coneguts com a dispositius d'interferència quàntica superconductors (SQUID) van produir resultats inconsistents. El 2009, físics de la Universitat de Stanford que utilitzaven un SQUID d'escaneig i de la Universitat Yale utilitzant voladissos microelectromecànics van informar de mesures de corrents persistents en anells d'or i alumini a nanoescala, respectivament, que ambdues mostraven una forta concordança amb la teoria simple dels electrons que no interactuen.

"Aquests són anells metàl·lics ordinaris, no superconductors, que normalment pensem com a resistències, però aquests corrents fluiran per sempre, fins i tot en absència d'un voltatge aplicat."

— Jack Harris, professor associat de física i física aplicada a Yale.

Les mesures del 2009 van informar d'una major sensibilitat als corrents persistents que les mesures anteriors i van introduir diverses millores en la detecció de corrent persistent. La capacitat del SQUID d'escaneig per canviar la posició del detector SQUID respecte a la mostra de l'anell va permetre mesurar diversos anells en un xip de mostra i una millor extracció del senyal de corrent del soroll de fons. La tècnica de detecció mecànica del detector en voladís va permetre mesurar els anells en un entorn electromagnètic net en un ampli rang de camp magnètic i també mesurar diversos anells en un xip de mostra.