Med en historisk historia som omfattar mer än ett halvt sekel forskning, ett nobelpris, och flera försök till praktiska tillämpningar, berättelsen om negativt differentiellt motstånd – eller NDR – läser som ett vetenskapligt mysterium, ett mysterium som fysiker vid University of Alberta äntligen har lyckats reda ut.

Vad betyder det här? En möjlighet att kombinera kunskapen med befintlig teknik för att skapa snabbare, billigare, och mindre elektroniska enheter, en välsignelse för den digitala erans fortsatta boom.

NDR är en udda effekt. Vi kan föreställa oss det genom att tänka på att vatten trycks genom en slang. Ju större trycket är, desto snabbare flöde. Elektroner i en tråd fungerar på liknande sätt, förutom att spänning appliceras istället för tryck för att inducera flöde. Med vatten, ökat tryck är lika med ökat flöde, men under speciella omständigheter med el, Det finns ibland en bakåtriktad och kontraintuitiv effekt där flödet saktar ner:detta är negativt differentiellt motstånd.

Det första försöket med en praktisk tillämpning för NDR, Esaki-dioden, uppkallad efter uppfinnaren japanska fysikern Leo Esaki, mottogs på 1950 -talet med stor spänning, vissa till och med utropar att den är viktigare än transistorn. Verket belönades med ett Nobelpris. Strax efter det stod klart att massproduktion var för svår, den en gång förebådade enheten förpassades till nischapplikationer.

Att replikera NDR-effekten på ett sätt som skulle kunna användas brett förblev ett lockande mål. Alternativ till Esaki-dioden hittades, men även de motsatte sig massproduktion. Tillkomsten av skanningstunnelmikroskop på 80-talet och tillgången de ger till materialegenskaper i nanoskala ledde till lockande NDR-signaturer från strukturella oregelbundenheter i kisel i atomskala. Spänningen väcktes igen, men adekvat förståelse och tillverkningsbarhet förblev svårfångade.

Spola fram till nuet, och ett team av fysiker ledda av Robert Wolkow från University of Alberta har nu upptäckt den exakta atomstrukturen som ger upphov till NDR. Vidare, genom att ta hänsyn till de särskilda regler som kvantmekaniken tvingar fram för elektronflöde genom en enda atom, Wolkows kollega, teoretisk fysiker Joseph Maciejko, har lyckats svara för den först förvirrande minskningen av strömmen med ökande spänning. Dessa resultat visar vägen till praktiska och lukrativa tillämpningar inom vardagselektronik som telefoner och datorer.

"Det visar sig att om du enkelt kan se hur du snyggt och billigt kan införliva denna NDR -effekt i befintliga elektroniska transistorer, du kan göra mindre, snabbare, billigare enheter, " säger Wolkow. "Värdet av en hybridtransistor/NDR-krets har varit känt i decennier, men ingen har kunnat göra det tillräckligt effektivt eller billigt för att göra det värt besväret.

"Över åren, människor har publicerat artiklar om varianter av samma effekt i atomskala. Tyvärr, gåtan med strukturen och dess egenskaper löstes aldrig. Men vi vet nu exakt varför det händer, vi vet exakt vilka beståndsdelar som måste finnas för att det ska kunna kontrolleras. Vi har definierat den exakta atomstrukturen som ger upphov till NDR, och som tur är är det lätt att göra. Också, vi har äntligen klarlagt mekanismen på leken - eller ska jag säga på jobbet."

Wolkow förklarar att det nu finns en mycket realistisk potential att kombinera detta NDR-fenomen med vardagselektronik på ett praktiskt sätt. överkomligt sätt, ett framsteg som potentiellt är värt miljarder för teknikindustrin.

"Negative Resistance with a Single Atom" publicerades den 30 december Fysiska granskningsbrev .