(PhysOrg.com) -- Oväntade spänningsökningar på upp till 25 procent i två knappt åtskilda nanotrådar har observerats vid Sandia National Laboratories.

Designers av nästa generations enheter som använder nanotrådar för att leverera elektriska strömmar - inklusive telefoner, handdatorer, batterier och vissa solpaneler — kan behöva ta hänsyn till sådana överraskande ökningar.

"Människor har arbetat med nanotrådar i 20 år, ” säger Sandias ledande forskare Mike Lilly. "Först, du studerar sådana ledningar var för sig eller alla tillsammans, men så småningom vill man ha ett systematiskt sätt att studera integrationen av nanotrådar i nanokretsar. Det är vad som händer nu. Det är viktigt att veta hur nanotrådar interagerar med varandra snarare än med vanliga ledningar."

Även om gallium-arsenid nanotrådstrukturerna som används av Lillys team är ömtåliga, nanotrådar i allmänhet har mycket praktiska egenskaper - de kan spricka mindre än sina större kusiner, de är billigare att tillverka och de erbjuder bättre elektronisk kontroll.

I åratal, den bästa tillgängliga testmetoden krävde forskarna att lägga en laddad bit material som kallas en grind mellan två nanotrådar på en enda hylla. Grinden, översvämmad med elektroner, fungerade som en barriär:Den upprätthöll integriteten, i själva verket, av ledningarna på vardera sidan av den genom att stöta bort alla elektroner som försöker fly över den. Men den minsta trådseparationen som grinden tillåter var 80 nanometer. Nanotrådar i framtida enheter kommer att packas ihop mycket närmare, så ett mycket mindre gap var nödvändigt för testning.

Den nuvarande testdesignen har briljansen av enkelhet. Vad Lilly och medarbetare vid McGill University i Montreal föreställde sig var att sätta nanotrådarna ovanför varandra, snarare än sida vid sida, genom att separera dem med några få atomlager av extremt rena, egenodlad kristall. Detta gjorde det möjligt för dem att testa nanotrådar åtskilda vertikalt med endast 15 nanometer - ungefär det avstånd som nästa generations enheter förväntas kräva. Och eftersom varje tråd sitter på sin egen oberoende plattform, var och en kan matas oberoende av varandra och kontrolleras av elektriska ingångar som varieras av forskarna.

Medan applikationer för teknisk utrustning intresserar Lilly, det är egenskaperna hos nanotrådar som ett problem i endimensionell (1-D) grundvetenskap som fascinerar honom.

En 1D-ledning är inte din vanliga tjock midja, 3-D hushållskabel, som tillåter ström att röra sig horisontellt, vertikalt, och framåt; det är inte heller din mindre, tillplattade mikronstora 2-D-ledningar i typiska elektroniska enheter som tillåter elektroner att röra sig framåt och tvärs över men inte upp och ner. I 1D-ledningar, elektronerna kan bara röra sig i en riktning:framåt, som fångar som kommer till lunch, den ena bakom den andra.

"På lång sikt, vår testenhet kommer att tillåta oss att undersöka hur 1-D-ledare skiljer sig från 2-D- och 3-D-ledare, sa Lilly. "De förväntas vara väldigt olika, men det finns relativt få experimentella tekniker som har använts för att studera 1-D grundtillståndet."

En anledning till skillnaden är Coulomb-kraften, ansvarig för vad som kallas Coulomb "drag"-effekt, oavsett om kraften påskyndar eller bromsar strömmar. Fungerar mellan ledningar, kraften är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet; det är, inom vanlig mikroelektronik, kraften är praktiskt taget omärkbar, men på nanodistans, kraften är tillräckligt stor för att elektroner i en tråd kan "känna" de individuella elektronerna röra sig i en annan placerad i närheten.

Draget betyder att den första tråden behöver mer energi eftersom Coulomb-kraften skapar, i själva verket, ökat motstånd. "Mängden är mycket liten, sa Lilly, "och vi kan inte mäta det. Det vi kan mäta är spänningen på den andra tråden."

Det finns inga enkla svar på varför Coulomb-kraften skapar negativt eller positivt motstånd, men det gör det. Den fick sitt namn efter 1700-talsforskaren Charles August Coulomb.

Vad som är känt är att "tillräckligt med elektroner knackas med så att de ger positiv källa i ena trådänden, negativt mot den andra, sa Lilly. En spänning byggs upp i motsatt riktning för att hålla elektronerna på plats, ” vilket ökar luftmotståndet.

Det så kallade Fermihavet - ett 3D-koncept som används för att förutsäga den genomsnittliga energin hos elektroner i metall - borde helt bryta ner i 1D-ledningar, som istället ska bilda en Luttinger-vätska, sa Lilly. En Luttinger-vätska är en teoretisk modell som beskriver interaktioner mellan elektroner i en 1D-ledare. Att bättre förstå Luttinger-vätskan är Lillys underliggande motiv för experimentet. (Enrico Fermi var en ledande teoretisk fysiker på 1900-talet som spelade en viktig roll i utvecklingen av atombomben. Joaquin Luttinger var en 1900-talsfysiker känd för sina teorier om hur elektroner interagerar i endimensionella metaller.)

Att ha ett intresse på många nivåer visade sig användbart eftersom det tog oss väldigt lång tid att tillverka testenheten, " sa han. "Det är inte omöjligt att göra i andra labb, men Sandia har kristallväxande kapacitet, en mikrotillverkningsanläggning och stöd för grundforskning från DOE:s [departementet för energi] Office of Basic Energy Sciences (BES). BES kärnprogram är intresserad av ny vetenskap och nya upptäckter, som det arbete vi gör med att försöka förstå vad som händer när du arbetar med mycket små system."

Enhetstillverkning utfördes under ett användarprojekt vid Center for Integrated Nanotechnologies, en DOE Office of Science nationell användaranläggning som drivs gemensamt av Sandia och Los Alamos nationella laboratorier. Enhetens design och mätning slutfördes under DOE Office of Science BES/Division of Materials Science and Engineering forskningsprogram.

Arbetet krävde Sandia-forskaren John Renos kristallväxande expertis, McGill doktoranden Dominique Laroches tillverknings- och mätkunskaper och delar av tidigare arbete av Sandia-forskaren Jerry Simmons.