(Phys.org) - Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Física (NPL) y la Universidad de Cambridge ha logrado un avance significativo en el uso de nanodispositivos para crear corrientes eléctricas precisas. La corriente eléctrica se compone de miles de millones y miles de millones de partículas diminutas llamadas electrones. Han desarrollado una bomba de electrones, un nanodispositivo, que recoge estos electrones uno a la vez y los mueve a través de una barrera. creando una corriente eléctrica muy bien definida.

El dispositivo impulsa la corriente eléctrica manipulando electrones individuales, uno por uno a muy alta velocidad. Esta técnica podría reemplazar la definición tradicional de corriente eléctrica, el amperio, que se basa en mediciones de fuerzas mecánicas en cables conductores de corriente.

El avance clave se produjo cuando los científicos experimentaron con la forma exacta de los pulsos de voltaje que controlan la captura y expulsión de electrones. Al cambiar el voltaje lentamente mientras atrapa electrones, y luego mucho más rápido al expulsarlos, fue posible acelerar enormemente la tasa general de bombeo sin comprometer la precisión.

Al emplear esta técnica, el equipo pudo bombear casi mil millones de electrones por segundo, 300 veces más rápido que el récord anterior para una bomba de electrones precisa establecida en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los EE. UU. En 1996.

Aunque la corriente resultante de 150 picoamperios es pequeña (diez mil millones de veces más pequeña que la corriente utilizada al hervir una tetera), el equipo pudo medir la corriente con una precisión de una parte por millón, confirmando que la bomba de electrones era precisa a este nivel. Este resultado es un hito en la precisión, rápido, manipulación de electrones individuales y un paso importante hacia una redefinición de la unidad de amperio.

Como se informó en Comunicaciones de la naturaleza , El equipo utilizó un dispositivo semiconductor a nanoescala llamado "punto cuántico" para bombear electrones a través de un circuito. El punto cuántico es una pequeña trampa electrostática de menos de 0,0001 mm de ancho. La forma del punto cuántico está controlada por voltajes aplicados a electrodos cercanos.

El punto se puede llenar con electrones y luego aumentar su energía. Mediante un proceso conocido como "túnel de retorno", todos menos uno de los electrones caen del punto cuántico y vuelven al cable fuente. Idealmente, solo queda un electrón atrapado en el punto, que se expulsa al cable de salida inclinando la trampa. Cuando esto se repite rápidamente, se obtiene una corriente determinada únicamente por la tasa de repetición y la carga de cada electrón, una constante universal de la naturaleza y la misma para todos los electrones.

La investigación da pasos importantes hacia la redefinición del amperio mediante el desarrollo de la aplicación de una bomba de electrones que mejora las tasas de precisión en la medición eléctrica primaria.

Masaya Kataoka, del Grupo de Detección Cuántica de NPL, explica:"Nuestro dispositivo es como una bomba de agua en el sentido de que produce un flujo mediante una acción cíclica. La parte difícil es asegurarse de que se transporta exactamente la misma cantidad de carga electrónica en cada ciclo.

La forma en que se comportan los electrones en nuestro dispositivo es bastante similar al agua; si intenta recoger un volumen fijo de agua, decir en una taza o cuchara, tienes que moverte despacio, de lo contrario derramarás un poco. Esto es exactamente lo que les pasaba a nuestros electrones si íbamos demasiado rápido ".

Stephen Giblin también forma parte del Grupo de Detección Cuántica, agregó:"Durante los últimos años, hemos trabajado en optimizar el diseño de nuestro dispositivo, pero dimos un gran paso adelante cuando ajustamos la secuencia de tiempo. Básicamente, hemos batido el récord de la mayor corriente precisa de un solo electrón por un factor de 300.

Aunque mover electrones uno a la vez no es nuevo, podemos hacerlo mucho más rápido, y con una fiabilidad muy alta:mil millones de electrones por segundo, con una precisión de menos de un error en un millón de operaciones.

El uso de fuerzas mecánicas para definir el amperio ha tenido mucho sentido durante los últimos 60 años aproximadamente, pero ahora que tenemos la nanotecnología para controlar electrones individuales, podemos seguir adelante.

La tecnología puede parecer más complicada, pero en realidad un sistema cuántico de medición es más elegante, porque estás basando tu sistema en constantes fundamentales de la naturaleza, en lugar de cosas que sabemos que no son realmente constantes, como la masa del kilogramo estándar ".