Svepelektronmikroskopbild av elektronpumpen. Pilen visar riktningen för elektronpumpning. Hålet i mitten av de elektriska styrgrindarna där elektronerna är fångade är ~0,0001 mm tvärs över.
(Phys.org) -- Ett team av forskare vid National Physical Laboratory (NPL) och University of Cambridge har gjort ett betydande framsteg när det gäller att använda nano-enheter för att skapa exakta elektriska strömmar. Elektrisk ström består av miljarder och åter miljarder små partiklar som kallas elektroner. De har utvecklat en elektronpump - en nano-enhet - som plockar upp dessa elektroner en i taget och för dem över en barriär, skapar en mycket väldefinierad elektrisk ström.
Enheten driver elektrisk ström genom att manipulera enskilda elektroner, en efter en i mycket hög hastighet. Denna teknik kan ersätta den traditionella definitionen av elektrisk ström, amperen, som förlitar sig på mätningar av mekaniska krafter på strömförande ledningar.
Nyckelgenombrottet kom när forskare experimenterade med den exakta formen på spänningspulserna som styr infångningen och utstötningen av elektroner. Genom att ändra spänningen långsamt samtidigt som man fångar elektroner, och sedan mycket snabbare när du matar ut dem, det var möjligt att kraftigt påskynda den totala pumphastigheten utan att kompromissa med noggrannheten.
Genom att använda denna teknik, laget kunde pumpa nästan en miljard elektroner per sekund, 300 gånger snabbare än det tidigare rekordet för en exakt elektronpumpuppsättning vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA 1996.
Även om den resulterande strömmen på 150 pikoampere är liten (tio miljarder gånger mindre än strömmen som används vid kokning av en vattenkokare), teamet kunde mäta strömmen med en noggrannhet på en del per miljon, bekräftar att elektronpumpen var korrekt på denna nivå. Detta resultat är en milstolpe i det exakta, snabb, manipulering av enstaka elektroner och ett viktigt steg mot en omdefiniering av enheten ampere.
Som rapporterats i Naturkommunikation , teamet använde en halvledarenhet i nanoskala som kallas en "kvantpunkt" för att pumpa elektroner genom en krets. Kvantpunkten är en liten elektrostatisk fälla som är mindre än 0,0001 mm bred. Formen på kvantpunkten styrs av spänningar som appliceras på närliggande elektroder.
Punkten kan fyllas med elektroner och sedan höjas i energi. Genom en process som kallas "back-tunneling", alla utom en av elektronerna faller ut ur kvantpunkten tillbaka in i källledningen. Helst bara en elektron finns kvar i punkten, som skjuts ut i utgångsledningen genom att luta fällan. När detta upprepas snabbt ger detta en ström som enbart bestäms av repetitionshastigheten och laddningen på varje elektron - en universell naturkonstant och densamma för alla elektroner.
Forskningen tar betydande steg mot att omdefiniera amperen genom att utveckla tillämpningen av en elektronpump som förbättrar noggrannheten vid primär elektrisk mätning.
Masaya Kataoka från Quantum Detection Group vid NPL förklarar:"Vår enhet är som en vattenpump genom att den producerar ett flöde genom en cyklisk åtgärd. Den knepiga delen är att se till att exakt samma antal elektroniska laddningar transporteras i varje cykel.
Det sätt som elektronerna i vår enhet beter sig på är ganska likt vatten; om du försöker ösa upp en fast volym vatten, säg i en kopp eller sked, du måste röra dig långsamt annars kommer du att spilla en del. Det här är precis vad som brukade hända med våra elektroner om vi gick för fort."
Stephen Giblin ingår också i Quantum Detection Group, tillade:"Under de senaste åren, vi har arbetat med att optimera designen av vår enhet, men vi gjorde ett stort steg framåt när vi finjusterade timingsekvensen. Vi har i princip slagit rekordet för den största exakta enelektronströmmen med en faktor 300.
Även om det inte är nytt att flytta elektroner en i taget, vi kan göra det mycket snabbare, och med mycket hög tillförlitlighet - en miljard elektroner per sekund, med en noggrannhet på mindre än ett fel på en miljon operationer.
Att använda mekaniska krafter för att definiera ampere har varit mycket vettigt de senaste 60 åren, men nu när vi har nanotekniken för att kontrollera enskilda elektroner kan vi gå vidare.
Tekniken kan tyckas mer komplicerad, men i själva verket är ett kvantmätningssystem mer elegant, eftersom du baserar ditt system på grundläggande naturkonstanter, snarare än saker som vi vet inte är riktigt konstanta, som massan av standardkilogrammet."
