Met een legendarische geschiedenis die meer dan een halve eeuw onderzoek omvat, een Nobelprijs, en meerdere pogingen tot praktische toepassingen, het verhaal van negatieve differentiële weerstand - of NDR - leest als een wetenschappelijk mysterie, een mysterie dat natuurkundigen van de Universiteit van Alberta eindelijk hebben weten te ontrafelen.

Wat betekent dit? Een kans om de kennis te combineren met bestaande technologie om sneller, goedkoper, en kleinere elektronische apparaten, een zegen voor de aanhoudende bloei van het digitale tijdperk.

NDR is een vreemd effect. We kunnen het ons voorstellen door te denken aan water dat door een slang wordt geduwd. Hoe groter de druk, hoe sneller de stroom. Elektronen in een draad werken op dezelfde manier, behalve dat er spanning wordt toegepast in plaats van druk om stroming te induceren. Met water, verhoogde druk is gelijk aan verhoogde stroom, maar in bijzondere omstandigheden met elektriciteit, er is soms een achterwaarts en contra-intuïtief effect waar de stroom vertraagt:dit is een negatieve differentiële weerstand.

De eerste poging tot een praktische toepassing voor NDR, de Esaki-diode, genoemd naar uitvinder Japanse natuurkundige Leo Esaki, werd in de jaren vijftig met veel enthousiasme ontvangen, sommigen beweren zelfs dat het belangrijker is dan de transistor. Het werk werd bekroond met een Nobelprijs. Al snel werd duidelijk dat massaproductie te moeilijk was, het ooit aangekondigde apparaat werd verbannen naar nichetoepassingen.

Het repliceren van het NDR-effect op een manier die breed kon worden ingezet, bleef een aantrekkelijk doel. Er werden alternatieven gevonden voor de Esaki-diode, maar ook die verzetten zich tegen massaproductie. De komst van scanning tunneling microscopen in de jaren '80 en de toegang die ze bieden tot materiaaleigenschappen op nanoschaal leidden tot verleidelijke NDR-signaturen van structurele onregelmatigheden op atoomschaal in silicium. De opwinding was weer aangewakkerd, maar adequaat begrip en maakbaarheid bleven ongrijpbaar.

Snel vooruit naar het heden, en een team van natuurkundigen onder leiding van Robert Wolkow van de Universiteit van Alberta hebben nu de precieze atomaire structuur ontdekt die aanleiding geeft tot NDR. Verder, door rekening te houden met de specifieke regels die de kwantummechanica afdwingt voor elektronenstroom door een enkel atoom, De collega van Wolkow, theoretisch fysicus Joseph Maciejko, is erin geslaagd rekening te houden met de aanvankelijk verbijsterende stroomafname bij toenemende spanning. Deze resultaten wijzen de weg naar praktische en lucratieve toepassingen in alledaagse elektronica zoals telefoons en computers.

"Het blijkt dat als je gemakkelijk kunt zien hoe je dit NDR-effect netjes en goedkoop kunt inbouwen in bestaande elektronische transistors, je kunt kleiner maken, sneller, goedkopere apparaten, ", zegt Wolkow. "De waarde van een hybride transistor/NDR-schakeling is al tientallen jaren bekend, maar niemand is erin geslaagd het efficiënt of goedkoop genoeg te doen om het de moeite waard te maken.

"Door de jaren heen mensen hebben artikelen gepubliceerd over varianten van hetzelfde atoomschaaleffect. Helaas, het raadsel van de structuur en zijn eigenschappen werd nooit opgelost. Maar we weten nu precies waarom het gebeurt, we weten precies welke bestanddelen er moeten zijn om het te kunnen controleren. We hebben de exacte atomaire structuur gedefinieerd die aanleiding geeft tot NDR, en gelukkig is het makkelijk te maken. Ook, we hebben eindelijk het mechanisme opgehelderd dat in het spel is - of moet ik zeggen op het werk."

Wolkow legt uit dat er nu een zeer realistisch potentieel is om dit NDR-fenomeen te combineren met alledaagse elektronica in een praktische, betaalbare manier, een voorschot dat potentieel miljarden waard is voor de technologische industrie.

"Negatieve weerstand met een enkel atoom" werd op 30 december gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .