Fysikere løser årtier gammelt videnskabeligt mysterium om negativ differentiel modstand

Med en historie, der omfatter mere end et halvt århundredes forskning, en nobelpris, og flere forsøg på praktiske anvendelser, historien om negativ differentiel modstand – eller NDR – lyder som et videnskabeligt mysterium, et mysterium, som det endelig er lykkedes for fysikere ved University of Alberta at opklare.

Hvad betyder det? En mulighed for at kombinere viden med eksisterende teknologi for at skabe hurtigere, billigere, og mindre elektroniske enheder, en velsignelse for den digitale æras fortsatte boom.

NDR er en mærkelig effekt. Vi kan forestille os det ved at tænke på, at vand bliver skubbet gennem en slange. Jo større pres, jo hurtigere flow. Elektroner i en ledning virker på samme måde, undtagen spænding påføres i stedet for tryk for at inducere flow. Med vand, øget tryk er lig med øget flow, men under særlige omstændigheder med elektricitet, der er nogle gange en baglæns og kontraintuitiv effekt, hvor flowet aftager:dette er negativ differentiel modstand.

Det første forsøg på en praktisk anvendelse til NDR, Esaki-dioden, opkaldt efter opfinderen af ​​den japanske fysiker Leo Esaki, blev modtaget i 1950'erne med stor begejstring, nogle udråber endda, at den er vigtigere end transistoren. Værket blev tildelt en Nobelpris. Kort efter det stod klart, at masseproduktion var for vanskelig, den engang bebudede enhed blev henvist til nicheapplikationer.

At replikere NDR-effekten på en måde, der kunne anvendes bredt, forblev et lokkende mål. Alternativer til Esaki-dioden blev fundet, men også de modsatte sig masseproduktion. Fremkomsten af ​​scanningstunnelmikroskoper i 80'erne og den adgang, de giver til materialeegenskaber i nanoskala, førte til fristende NDR-signaturer fra atomskala strukturelle uregelmæssigheder i silicium. Spændingen blev tændt igen, men tilstrækkelig forståelse og fremstillingsevne forblev uhåndgribelig.

Spol frem til nutiden, og et hold fysikere ledet af Robert Wolkow fra University of Alberta har nu opdaget den præcise atomstruktur, der giver anledning til NDR. Desuden, ved at redegøre for de særlige regler, kvantemekanikken håndhæver for elektronstrøm gennem et enkelt atom, Wolkows kollega, teoretisk fysiker Joseph Maciejko, har haft held med at tage højde for den første forvirrende reduktion i strøm med stigende spænding. Disse resultater viser vejen til praktiske og lukrative anvendelser i dagligdags elektronik såsom telefoner og computere.

"Det viser sig, at hvis du nemt kan se, hvordan du pænt og billigt kan inkorporere denne NDR-effekt i eksisterende elektroniske transistorer, du kan lave mindre, hurtigere, billigere enheder, " siger Wolkow. "Værdien af ​​et hybridtransistor/NDR-kredsløb har været kendt i årtier, men ingen har været i stand til at gøre det effektivt eller billigt nok til at gøre det umagen værd.

"I årenes løb, folk har udgivet artikler om varianter af den samme atom-skala effekt. Desværre, gåden om strukturen og dens egenskaber blev aldrig løst. Men vi ved nu præcis hvorfor det sker, vi ved præcis, hvilke bestanddele der skal være der, for at det kan kontrolleres. Vi har defineret den nøjagtige atomstruktur, der giver anledning til NDR, og den er heldigvis nem at lave. Såvel, vi har endelig belyst mekanismen ved leg - eller skal jeg sige på arbejdet."

Wolkow forklarer, at der nu er et meget realistisk potentiale for at kombinere dette NDR-fænomen med hverdagselektronik på en praktisk, overkommelig måde, et fremskridt, der potentielt er milliarder værd for teknologiindustrien.

"Negativ modstand med et enkelt atom" blev udgivet 30. december i Fysiske anmeldelsesbreve .