(Phys.org) -- Een team van wetenschappers van het National Physical Laboratory (NPL) en de Universiteit van Cambridge heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het gebruik van nano-apparaten om nauwkeurige elektrische stromen te creëren. Elektrische stroom bestaat uit miljarden en miljarden kleine deeltjes die elektronen worden genoemd. Ze hebben een elektronenpomp ontwikkeld - een nano-apparaat - die deze elektronen één voor één oppikt en over een barrière beweegt, het creëren van een zeer goed gedefinieerde elektrische stroom.

Het apparaat drijft elektrische stroom aan door individuele elektronen te manipuleren, één voor één op zeer hoge snelheid. Deze techniek zou de traditionele definitie van elektrische stroom kunnen vervangen, de ampère, die berust op metingen van mechanische krachten op stroomvoerende draden.

De belangrijkste doorbraak kwam toen wetenschappers experimenteerden met de exacte vorm van de spanningspulsen die het vangen en uitwerpen van elektronen regelen. Door de spanning langzaam te veranderen terwijl elektronen worden gevangen, en dan veel sneller bij het uitwerpen, het was mogelijk om de algehele pompsnelheid enorm te versnellen zonder afbreuk te doen aan de nauwkeurigheid.

Door deze techniek toe te passen, het team was in staat om bijna een miljard elektronen per seconde te pompen, 300 keer sneller dan het vorige record voor een nauwkeurige elektronenpompset van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de VS in 1996.

Hoewel de resulterende stroom van 150 picoampère klein is (tien miljard keer kleiner dan de stroom die wordt gebruikt bij het koken van een waterkoker), het team was in staat om de stroom te meten met een nauwkeurigheid van één deel per miljoen, bevestigend dat de elektronenpomp op dit niveau nauwkeurig was. Dit resultaat is een mijlpaal in de precieze, snel, manipulatie van enkele elektronen en een belangrijke stap in de richting van een herdefinitie van de eenheidsampère.

Zoals gemeld in Natuurcommunicatie , het team gebruikte een halfgeleiderapparaat op nanoschaal, een 'quantum dot' genaamd, om elektronen door een circuit te pompen. De quantum dot is een kleine elektrostatische val van minder dan 0,0001 mm breed. De vorm van de kwantumstip wordt bepaald door spanningen die worden aangelegd op nabijgelegen elektroden.

De stip kan worden gevuld met elektronen en vervolgens in energie worden verhoogd. Door een proces dat bekend staat als 'back-tunneling', op één na vallen alle elektronen uit de kwantumstip terug in de bronleiding. Ideaal, slechts één elektron blijft gevangen in de stip, die in de uitgangsleiding wordt uitgeworpen door de val te kantelen. Wanneer dit snel wordt herhaald, geeft dit een stroom die uitsluitend wordt bepaald door de herhalingssnelheid en de lading op elk elektron - een universele natuurconstante en dezelfde voor alle elektronen.

Het onderzoek zet belangrijke stappen in de richting van het herdefiniëren van de ampère door de toepassing van een elektronenpomp te ontwikkelen die de nauwkeurigheid van primaire elektrische metingen verbetert.

Masaya Kataoka van de Quantum Detection Group bij NPL legt uit:"Ons apparaat is als een waterpomp in die zin dat het een stroom produceert door een cyclische actie. Het lastige is om ervoor te zorgen dat precies hetzelfde aantal elektronische ladingen in elke cyclus wordt getransporteerd.

De manier waarop de elektronen in ons apparaat zich gedragen, lijkt veel op die van water; als je probeert een vaste hoeveelheid water op te scheppen, zeg in een kopje of lepel, je moet langzaam bewegen, anders mors je wat. Dit is precies wat er met onze elektronen gebeurde als we te snel gingen."

Stephen Giblin maakt ook deel uit van de Quantum Detection Group, toegevoegd:"De afgelopen jaren we hebben gewerkt aan het optimaliseren van het ontwerp van ons apparaat, maar we hebben een enorme sprong voorwaarts gemaakt toen we de timingvolgorde nauwkeuriger afstemden. We hebben het record voor de grootste nauwkeurige enkelvoudige elektronenstroom met een factor 300 verbroken.

Hoewel het één voor één verplaatsen van elektronen niet nieuw is, we kunnen het veel sneller, en met een zeer hoge betrouwbaarheid - een miljard elektronen per seconde, met een nauwkeurigheid van minder dan één fout op een miljoen bewerkingen.

Het gebruik van mechanische krachten om de ampère te definiëren is de afgelopen 60 jaar heel logisch geweest, maar nu we de nanotechnologie hebben om afzonderlijke elektronen te controleren, kunnen we verder.

De technologie lijkt misschien ingewikkelder, maar eigenlijk is een kwantummeetsysteem eleganter, omdat je je systeem baseert op fundamentele natuurconstanten, in plaats van dingen waarvan we weten dat ze niet echt constant zijn, zoals de massa van de standaard kilogram."