Nano-Werkzeug kann unsere Definition von elektrischem Strom verändern
Forscher im Vereinigten Königreich haben eine neuartige Nanovorrichtung entwickeln, die die Art und Weise, wie elektrischer Strom heute definiert ist, revolutionieren könnte. Die im Fachblatt Nature Communications vorgestellte Studie zeigt, wie unter Einsatz speziell entwickelter Gateantriebswellenformen die Genauigkeit einer Halbleiter-Quantenpunkt-Pumpe erhöht werden kann. Wissenschaftler des National Physical Laboratory (NPL) und der Universität Cambridge entwickelten präzise elektrische Ströme mithilfe von Nanovorrichtungen. Diese Elektronenpumpe hat die Fähigkeit, einzelne Elektronen abzuholen und sie dann über ein Hindernis zu schieben. Das Endergebnis ist ein gut definierter elektrischer Strom. Nach Angaben der Forscher handhabt dieses innovative Gerät einzelne Elektronen, um elektrischen Strom zu stimulieren. Diese Entwicklung könnte möglicherweise heutige Ampere ersetzen, die von der Messung der mechanischen Kräfte auf stromführenden Drähten abhängt. Das Team testete die genaue Form der Spannungsimpulse, die das Fangen und Auswerfen der Elektronen manipulieren. Es gelang ihnen, die Gesamtrate der Pumpen zu beschleunigen, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren, weil sie die Spannung langsam veränderten, während Elektronen eingefangen wurden und dann die Spannung schnell veränderten, wenn sie sie auswarfen. Das Ergebnis? Sie pumpten fast eine Milliarde Elektronen pro Sekunde, was eine 300-fache Erhöhung gegenüber dem bisherigen Rekord einer genauen Elektronen-Pumpe darstellt, die von dem in den Vereinigten Staaten ansässigen National Institute of Standards and Technology (NIST) vor 16 Jahren eingerichtet worden war. Sie berechneten den Strom mit einer Genauigkeit von einem Teil pro Million, trotz der Tatsache, dass der resultierende Strom klein war, insgesamt 150 Picoampere (d.h. 10 Milliarden mal geringer als der Strom, der für einen Wasserkocher gebraucht wird). Dieses beispiellose Ergebnis ist ein Segen für die Forscher, die die präzise und schnelle Kontrolle einzelner Elektronen erforschen, und könnte zur Neudefinition der Einheit Ampere führen. "Unser Gerät funktioniert wie eine Wasserpumpe, es erzeugt eine Strömung durch eine zyklische Aktion", sagte Co-Autor Masaya Kataoka von der Quantum Detection Group am NPL. "Schwierig ist es sicherzustellen, dass bei jedem Zyklus genau die gleiche Anzahl von elektrischer Ladung transportiert wird. Die Elektronen in unserem Gerät verhalten sich ähnlich wie Wasser; wenn man etwa ein festes Volumen an Wasser, in einem Becher oder Löffel aufnehmen will, muss man sich langsam bewegen, sonst vergießt man es. Das ist genau das, was früher mit unseren Elektronen passierte, wenn wir zu schnell vorgingen." Erstautor Stephen Giblin von der Quantum Detection Group am NPL erläutert: "In den letzten paar Jahren haben wir an der Optimierung der Konzeption unserer Vorrichtung gearbeitet, aber wir haben einen gewaltigen Schritt gemacht, als wir die zeitliche Abfolge abgestimmt haben. Wir haben im Grunde den Rekord für den größten genauen Einzel-Elektronen-Strom um den Faktor 300 geschlagen. "Obwohl es nichts Neues ist, Elektronen einzeln zu bewegen, können wir dies viel schneller tun, und mit sehr hoher Zuverlässigkeit - eine Milliarde Elektronen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von weniger als einem Fehler bei einer Million Operationen. Den Ampere auf mechanische Weise zu definieren, hat in den letzten 60 Jahre oder so Sinn gemacht, aber jetzt, wo uns Nanotechnologie zur Verfügung steht, um einzelne Elektronen zu kontrollieren, können wir weitermachen."Weitere Informationen sind abrufbar unter: National Physical Laboratory (NPL): http://www.npl.co.uk/ Universität Cambridge: http://www.cam.ac.uk/ Nature Communications: http://www.nature.com/ncomms/index.html
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Vereinigtes Königreich