Immagine al microscopio elettronico a scansione della pompa elettronica. La freccia mostra la direzione del pompaggio degli elettroni. Il foro al centro delle porte di controllo elettrico in cui sono intrappolati gli elettroni ha un diametro di ~0,0001 mm.
(Phys.org) - Un team di scienziati del National Physical Laboratory (NPL) e dell'Università di Cambridge ha fatto un progresso significativo nell'uso di nanodispositivi per creare correnti elettriche accurate. La corrente elettrica è composta da miliardi e miliardi di minuscole particelle chiamate elettroni. Hanno sviluppato una pompa di elettroni - un nano-dispositivo - che raccoglie questi elettroni uno alla volta e li sposta attraverso una barriera, creando una corrente elettrica molto ben definita.
Il dispositivo guida la corrente elettrica manipolando i singoli elettroni, uno per uno ad altissima velocità. Questa tecnica potrebbe sostituire la tradizionale definizione di corrente elettrica, l'ampere, che si basa su misurazioni di forze meccaniche su fili percorsi da corrente.
La svolta chiave è arrivata quando gli scienziati hanno sperimentato la forma esatta degli impulsi di tensione che controllano l'intrappolamento e l'espulsione degli elettroni. Modificando la tensione lentamente mentre intrappola gli elettroni, e poi molto più rapidamente quando li espelle, è stato possibile accelerare enormemente la velocità complessiva di pompaggio senza compromettere la precisione.
Utilizzando questa tecnica, il team è stato in grado di pompare quasi un miliardo di elettroni al secondo, 300 volte più veloce del record precedente per un'accurata pompa di elettroni impostata presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti nel 1996.
Sebbene la corrente risultante di 150 picoampere sia piccola (dieci miliardi di volte inferiore alla corrente utilizzata quando si fa bollire un bollitore), il team è stato in grado di misurare la corrente con una precisione di una parte per milione, confermando che la pompa elettronica era accurata a questo livello. Questo risultato è una pietra miliare nella precisa, veloce, manipolazione dei singoli elettroni e un passo importante verso una ridefinizione dell'unità ampere.
Come riportato in Comunicazioni sulla natura , il team ha utilizzato un dispositivo a semiconduttore su nanoscala chiamato "punto quantico" per pompare elettroni attraverso un circuito. Il punto quantico è una minuscola trappola elettrostatica larga meno di 0,0001 mm. La forma del punto quantico è controllata dalle tensioni applicate agli elettrodi vicini.
Il punto può essere riempito di elettroni e quindi aumentato di energia. Con un processo noto come 'back-tunneling', tutti tranne uno degli elettroni cadono dal punto quantico nel cavo sorgente. Idealmente, un solo elettrone rimane intrappolato nel punto, che viene espulso nel cavo di uscita inclinando la trappola. Quando questo viene ripetuto rapidamente, si ottiene una corrente determinata esclusivamente dalla velocità di ripetizione e dalla carica su ciascun elettrone - una costante universale della natura e la stessa per tutti gli elettroni.
La ricerca compie passi significativi verso la ridefinizione dell'ampere sviluppando l'applicazione di una pompa di elettroni che migliora i tassi di accuratezza nella misurazione elettrica primaria.
Masaya Kataoka del Quantum Detection Group di NPL spiega:"Il nostro dispositivo è come una pompa dell'acqua in quanto produce un flusso mediante un'azione ciclica. La parte difficile è assicurarsi che venga trasportato esattamente lo stesso numero di carica elettronica in ogni ciclo.
Il modo in cui si comportano gli elettroni nel nostro dispositivo è abbastanza simile all'acqua; se provi a raccogliere un volume fisso d'acqua, dire in una tazza o in un cucchiaio, devi muoverti lentamente altrimenti ne rovesci un po'. Questo è esattamente quello che succedeva ai nostri elettroni se andavamo troppo veloci".
Stephen Giblin fa anche parte del Quantum Detection Group, ha aggiunto:"Negli ultimi anni, abbiamo lavorato sull'ottimizzazione del design del nostro dispositivo, ma abbiamo fatto un enorme balzo in avanti quando abbiamo messo a punto la sequenza temporale. Abbiamo praticamente battuto il record per la più accurata corrente a singolo elettrone di un fattore 300.
Sebbene spostare gli elettroni uno alla volta non sia una novità, possiamo farlo molto più velocemente, e con un'affidabilità molto elevata:un miliardo di elettroni al secondo, con una precisione inferiore a un errore su un milione di operazioni.
L'uso di forze meccaniche per definire l'ampere ha avuto molto senso negli ultimi 60 anni circa, ma ora che abbiamo la nanotecnologia per controllare i singoli elettroni possiamo andare avanti.
La tecnologia potrebbe sembrare più complicata, ma in realtà un sistema di misura quantistico è più elegante, perché stai basando il tuo sistema su costanti fondamentali della natura, piuttosto che cose che sappiamo non sono realmente costanti, come la massa del chilogrammo standard."
