Con una storia leggendaria che include più di mezzo secolo di ricerche, un premio Nobel, e molteplici tentativi di applicazioni pratiche, la storia della resistenza differenziale negativa - o NDR - si legge come un mistero scientifico, un mistero che i fisici dell'Università di Alberta sono finalmente riusciti a svelare.

Cosa significa questo? Un'opportunità per combinare la conoscenza con la tecnologia esistente per creare più velocemente, più economico, e dispositivi elettronici più piccoli, un vantaggio per il continuo boom dell'era digitale.

L'NDR è un effetto strano. Possiamo immaginarlo pensando all'acqua che viene spinta attraverso un tubo. Maggiore è la pressione, più veloce è il flusso. Gli elettroni in un filo agiscono in modo simile, tranne che viene applicata la tensione invece della pressione per indurre il flusso. Con acqua, l'aumento della pressione equivale all'aumento del flusso, ma in circostanze speciali con l'elettricità, a volte c'è un effetto all'indietro e controintuitivo in cui il flusso rallenta:questa è una resistenza differenziale negativa.

Il primo tentativo di applicazione pratica per NDR, il diodo Esaki, chiamato per l'inventore fisico giapponese Leo Esaki, è stato accolto negli anni '50 con grande entusiasmo, alcuni addirittura lo proclamano più importante del transistor. L'opera è stata insignita del Premio Nobel. Poco dopo divenne chiaro che la produzione di massa era troppo difficile, il dispositivo una volta annunciato è stato relegato ad applicazioni di nicchia.

Replicare l'effetto NDR in un modo che potesse essere ampiamente distribuito è rimasto un obiettivo allettante. Sono state trovate alternative al diodo Esaki, ma anche quelli resistettero alla produzione di massa. L'avvento dei microscopi a scansione a effetto tunnel negli anni '80 e l'accesso che forniscono alle proprietà dei materiali su scala nanometrica hanno portato a allettanti firme NDR da irregolarità strutturali su scala atomica nel silicio. L'eccitazione si è riaccesa, ma la comprensione e la producibilità adeguate sono rimaste inafferrabili.

Avanti veloce al presente, e un team di fisici guidati da Robert Wolkow dell'Università dell'Alberta hanno ora scoperto la precisa struttura atomica che dà origine all'NDR. Per di più, tenendo conto delle particolari regole che la meccanica quantistica impone per il flusso di elettroni attraverso un singolo atomo, collega di Wolkow, fisico teorico Joseph Maciejko, è riuscito a spiegare la prima sconcertante riduzione della corrente con l'aumento della tensione. Questi risultati indicano la strada per applicazioni pratiche e redditizie nell'elettronica di tutti i giorni come telefoni e computer.

"Si scopre che se riesci a vedere facilmente come incorporare in modo ordinato ed economico questo effetto NDR nei transistor elettronici esistenti, puoi rimpicciolire, Più veloce, dispositivi più economici, " dice Wolkow. "Il valore di un circuito ibrido transistor/NDR è noto da decenni, ma nessuno è stato in grado di farlo in modo efficiente o abbastanza economico da renderlo utile.

"Negli anni, persone hanno pubblicato articoli su varianti dello stesso effetto su scala atomica. Sfortunatamente, l'enigma della struttura e delle sue proprietà non fu mai risolto. Ma ora sappiamo esattamente perché succede, sappiamo esattamente quali componenti devono essere presenti per essere controllati. Abbiamo definito l'esatta struttura atomica che dà origine a NDR, e per fortuna è facile da realizzare. Anche, abbiamo finalmente chiarito il meccanismo in gioco, o dovrei dire al lavoro".

Wolkow spiega che ora c'è un potenziale molto realistico per combinare questo fenomeno NDR con l'elettronica di tutti i giorni in modo pratico, modo conveniente, un progresso potenzialmente miliardario per l'industria tecnologica.

"Resistenza negativa con un singolo atomo" è stato pubblicato il 30 dicembre in Lettere di revisione fisica .