Наноустройство создает электричество из крошечных частиц

Команда ученых из Национальной физической лаборатории (NPL) и Кембриджского университета существенно продвинулась в использовании наноустройств для создания точных электрических потоков

Электрический ток состоит из миллиардов крошечных частиц – электронов. Ученые изобрели электронный насос – наноустройство, которое захватывает эти электроны по одному и перемещает их через потенциальный барьер, создавая очень точный электрический поток.

Устройство управляет электрическим током, воздействуя на отдельные электроны на очень высокой скорости. Эта технология могла бы заменить традиционные определения электрического потока и единицы его измерения – ампера, которые основываются на измерениях механических сил, воздействующих на находящиеся под напряжением провода.

Прорыв случился тогда, когда ученые экспериментировали с точной формой импульсного напряжения, которое контролирует захват и испускание электронов. Путем медленного изменения напряжения в ходе захвата электронов, а затем намного более быстрого изменения напряжения во время их испускания стало возможным значительно ускорить общий темп перекачки электронов, не ставя под угрозу точность.

Используя эту технологию, члены команды смогли перекачивать почти миллиард электронов в секунду, что в 300 раз быстрее, чем предыдущий рекорд точной электронной насосной установки в Национальном институте стандартов и технологии (NIST) в США в 1996 году.

Хотя полученный ток в 150 пикоампер является маленьким (в 10 млрд раз меньше, чем ток, используемый в электрическом чайнике), команда смогла измерить ток с точностью до одной миллионной, подтвердив, что электронный насос был точно на этом уровне. Этот результат является важной вехой в точном и быстром управлении отдельными электронами и важным шагом к изменению определения ампера как единицы измерения.

Как сообщается в Nature Communications, команда использовала наноразмерное полупроводниковое устройство, названное квантовой точкой, которое перекачивает электроны по цепи. Квантовая точка – это крошечная электростатическая ловушка менее чем 0,0001 мм шириной. Форма квантовой точки контролируется напряжением соседних электродов.

Точка может быть заполнена электронами, и ее энергия возрастает. С помощью процесса, известного как обратное туннелирование, все электроны, кроме одного, выпадают из квантовой точки назад в провод-источник. В идеале в квантовой точке остается всего один электрон, и он испускается в выводной провод. При быстром повторении получается ток, который обусловлен исключительно частотой повторения импульсов и зарядом каждого электрона – универсальными константами природы и всех электронов.

Исследование делает значительные шаги на пути к пересмотру определения ампера путем разработки и применения электронного насоса, который улучшает показатели точности в основных электрических измерениях.

Масайа Катаока из Группы исследования квантума в NPL объясняет: «Наше устройство похоже на водный насос тем, что оно создает поток с помощью циклических действий. Сложность состоит в том, чтобы убедиться, что в каждом цикле перемещается одинаковое количество электронного заряда. Электроны в нашем устройстве похожи на воду: если вы хотите зачерпнуть какой-либо определенный объем воды – например, в чашке или ложке, вам придется двигаться медленно, иначе вы что-нибудь прольете. То же самое происходило с нашими электронами, если мы действовали слишком быстро».

Стивен Джиблин, который также входит в Группу исследования квантума, добавил: «В течение последних нескольких лет мы работали над оптимизацией нашего устройства, и мы сделали огромный шаг вперед, когда мы точно настроили импульсную последовательность. Мы побили рекорд самого большого точного одноэлектронного тока с фактором 300.

Несмотря на то, что перемещение электронов по одному не является чем-то новым, мы можем делать это намного быстрее, и с очень высоким уровнем надежности – миллиард электронов в секунду, с точностью менее одной ошибки на миллион операций.

Использование механических сил для определения ампера имело большой смысл в течение прошлых 60 лет, но теперь, когда у нас есть нанотехнология для управления отдельными электронами, мы можем идти дальше.

Технология может показаться сложной, но фактически квантовая система измерения более изящна, потому что система основывается на фундаментальных константах природы, а не на вещах, которые не являются действительно постоянными, таких как масса стандартного килограмма».