Análise da condutância quântica em nanocontatos metálicos: um experimento simples para o ensino de física.

Abstract

Segundo Ausubel, a utilização de atividades experimentais é de grande importância didática, pois, a depender da forma como são aplicadas, torna o processo de aprendizagem significativo, além de estimular o interesse dos alunos e sua curiosidade, fazendo a ligação entre teoria e prática. Especificamente, experimentos na área de mecânica quântica quase sempre são de difícil realização, pois necessitam de ambientes controlados (vácuo, temperatura, etc.). Neste contexto, o presente trabalho traz um experimento simples que se baseia no estudo de sistemas em dimensões nanométrica, que é atualmente de grande interesse tanto para estudo em física básica, devido aos efeitos quânticos, quanto às áreas tecnológicas, no desenvolvimento de certos componentes. Em particular, no decorrer deste trabalho é apresentado um efeito quântico interessante, que é o comportamento da condutância elétrica quando dois fios metálicos são postos em contato, formando contatos de dimensões nanométricas. Nessas condições, a condutância passa a variar em múltiplos inteiros de um quantum. A observação desse fenômeno pode ser feita utilizando uma montagem experimental relativamente simples, necessitando apenas da construção de um circuito elétrico amplificador, fios metálicos, e de um osciloscópio digital. Assim, quando os fios são postos perpendicularmente em contato surge uma resistência elétrica que, a depender das dimensões do contato, está relacionada diretamente ao quantum de condutância. A tensão que surge entre esse resistor (devido ao contato entre os fios) pode ser amplificada, utilizando um amplificador operacional, e medida por meio do osciloscópio digital. O experimento foi realizado utilizando fios metálicos de cobre e tungstênio, com diâmetros de 0,20mm e 0,25mm, respectivamente. Os resultados mostraram que de fato a condutância é quantizada em múltiplos de um quantum, evidenciando o comportamento quântico no contato formado entre os fios. Todavia, apareceram patamares intermediários, que são devidos a impurezas da rede. No entanto, isso não foi detalhado ao longo do trabalho, mas serve como base para pesquisas futuras. Por fim, a partir dos resultados obtidos, foi encontrado o valor para a constante de Planck em diferentes casos, que se mostrou com boa concordância experimental.