Ny nanoenhed bygger elektricitet af små stykker

(Phys.org) -- Et team af forskere ved National Physical Laboratory (NPL) og University of Cambridge har gjort et betydeligt fremskridt med at bruge nano-enheder til at skabe nøjagtige elektriske strømme. Elektrisk strøm er sammensat af milliarder og milliarder af bittesmå partikler kaldet elektroner. De har udviklet en elektronpumpe - en nanoenhed - som samler disse elektroner op en ad gangen og flytter dem over en barriere, skabe en meget veldefineret elektrisk strøm.

Enheden driver elektrisk strøm ved at manipulere individuelle elektroner, en efter en i meget høj hastighed. Denne teknik kunne erstatte den traditionelle definition af elektrisk strøm, amperen, som er afhængig af målinger af mekaniske kræfter på strømførende ledninger.

Det vigtigste gennembrud kom, da forskere eksperimenterede med den nøjagtige form af de spændingsimpulser, der styrer indfangning og udstødning af elektroner. Ved at ændre spændingen langsomt, mens elektroner fanges, og så meget hurtigere, når de skubbes ud, det var muligt at fremskynde den samlede pumpehastighed massivt uden at gå på kompromis med nøjagtigheden.

Ved at anvende denne teknik, holdet var i stand til at pumpe næsten en milliard elektroner i sekundet, 300 gange hurtigere end den tidligere rekord for et præcist elektronpumpesæt ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA i 1996.

Selvom den resulterende strøm på 150 picoampere er lille (ti milliarder gange mindre end den strøm, der bruges ved kogning af en kedel), holdet var i stand til at måle strømmen med en nøjagtighed på én del-per-million, bekræfter, at elektronpumpen var nøjagtig på dette niveau. Dette resultat er en milepæl i den præcise, hurtig, manipulation af enkelte elektroner og et vigtigt skridt mod en re-definition af enheden ampere.

Som rapporteret i Naturkommunikation , holdet brugte en halvlederenhed i nanoskala kaldet en 'kvanteprik' til at pumpe elektroner gennem et kredsløb. Kvanteprikken er en lille elektrostatisk fælde, der er mindre end 0,0001 mm bred. Formen af ​​kvanteprikken styres af spændinger påført nærliggende elektroder.

Prikken kan fyldes med elektroner og derefter hæves i energi. Ved en proces kendt som 'back-tunneling', alle undtagen én af elektronerne falder ud af kvanteprikken tilbage i kildeledningen. Ideelt set kun en elektron forbliver fanget i prikken, som skydes ud i udgangsledningen ved at vippe fælden. Når dette gentages hurtigt, giver dette en strøm, der udelukkende bestemmes af gentagelseshastigheden og ladningen på hver elektron - en universel naturkonstant og den samme for alle elektroner.

Forskningen tager væsentlige skridt i retning af at omdefinere amperen ved at udvikle anvendelsen af ​​en elektronpumpe, som forbedrer nøjagtigheden ved primær elektrisk måling.

Masaya Kataoka fra Quantum Detection Group hos NPL forklarer:"Vores enhed er som en vandpumpe, idet den producerer et flow ved en cyklisk handling. Den vanskelige del er at sikre, at nøjagtigt det samme antal elektroniske ladninger transporteres i hver cyklus.

Den måde, elektronerne i vores enhed opfører sig på, ligner meget vand; hvis du prøver at øse en fast mængde vand op, sige i en kop eller ske, du skal bevæge dig langsomt, ellers spilder du noget. Det er præcis, hvad der plejede at ske med vores elektroner, hvis vi gik for hurtigt."

Stephen Giblin også en del af Quantum Detection Group, tilføjede:"I de sidste par år, vi har arbejdet på at optimere designet af vores enhed, men vi tog et kæmpe spring fremad, da vi finjusterede timingsekvensen. Vi har stort set smadret rekorden for den største nøjagtige enkeltelektronstrøm med en faktor 300.

Selvom det ikke er nyt at flytte elektroner en ad gangen, vi kan gøre det meget hurtigere, og med meget høj pålidelighed - en milliard elektroner i sekundet, med en nøjagtighed på mindre end én fejl ud af en million operationer.

At bruge mekaniske kræfter til at definere amperen har givet meget mening i de sidste 60 år eller så. men nu hvor vi har nanoteknologien til at styre enkelte elektroner, kan vi komme videre.

Teknologien kan virke mere kompliceret, men faktisk er et kvantemålesystem mere elegant, fordi du baserer dit system på fundamentale naturkonstanter, snarere end ting, som vi ved ikke er virkelig konstante, ligesom massen af ​​standardkilogrammet."