Circuitos de tamaño atómico

El trabajo publicado en la revista Nature es el resultado de una colaboración de varios grupos europeos: Saclay (Francia), Leiden (Holanda) y dos grupos españoles de la Universidad Autónoma de Madrid, que poseen una gran experiencia tanto teórica como experimental en el campo de las propiedades de conducción eléctrica de sistemas de tamaño muy pequeño.El objetivo del trabajo es determinar las propiedades de conducción del circuito eléctrico más simple imaginable a escala microscópica: aquel cuya sección más estrecha consta de un único atomo. Este tipo de circuitos se puede fabricar mediante diversas técnicas experimentales como, por ejemplo, el uso del microscopio de efecto túnel (técnica que utiliza el equipo español). Otra técnica utilizada es la de estirar un hilo metálico hasta conseguir, poco antes de la ruptura, una región de tamaño atómico.

La conducción eléctrica en circuitos de escala atómica está gobernada por las leyes de la mecánica cuántica. A pesar de su reducido tamaño, estos sistemas pueden soportar corrientes apreciables, del orden de 100 microamperios, lo cual corresponde a la gigantesca densidad de corriente a través del átomo de un billón de amperios por centímetro cuadrado, un valor imposible de alcanzar en circuitos a escala macroscópica. A efectos de comparación, los cables de la instalación eléctrica de nuestras casas tienen unos fusibles que se funden bajo una corriente de 16 amperios (el voltaje es de 220 voltios). Si estos cables pudiesen llevar la misma corriente por unidad de área que la que cruza un contacto atómico, llevarían una corriente de unos 400 millones de amperios.

Este enorme flujo de electrones está obligado a atravesar un único átomo y, por tanto, la intensidad de corriente del circuito (para un voltaje aplicado dado) debe reflejar la estructura electrónica interna (estructura de electrones de valencia) de dicho átomo. En el trabajo publicado en Nature se estudian circuitos atómicos de diferentes metales (oro, plomo, aluminio y niobio).

La conclusión principal es que se puede establecer una clara correspondencia entre la corriente que puede atravesar el átomo y el número de orbitales de valencia de dicho átomo. Una consecuencia sorprendente de este hecho es que un circuito atómico de plomo es mejor conductor que uno de oro, a diferencia de lo que ocurre en la experiencia cotidiana.