p (Phys.org) - Uma equipe de cientistas do National Physical Laboratory (NPL) e da University of Cambridge fez um avanço significativo no uso de nanodispositivos para criar correntes elétricas precisas. A corrente elétrica é composta de bilhões e bilhões de minúsculas partículas chamadas elétrons. Eles desenvolveram uma bomba de elétrons - um nanodispositivo - que pega esses elétrons um de cada vez e os move através de uma barreira, criando uma corrente elétrica muito bem definida. p O dispositivo impulsiona a corrente elétrica manipulando elétrons individuais, um por um em alta velocidade. Esta técnica pode substituir a definição tradicional de corrente elétrica, o ampere, que se baseia em medições de forças mecânicas em fios condutores de corrente.

p A principal descoberta veio quando os cientistas experimentaram a forma exata dos pulsos de voltagem que controlam o aprisionamento e a ejeção de elétrons. Alterando a voltagem lentamente enquanto captura os elétrons, e muito mais rapidamente ao ejetá-los, foi possível acelerar massivamente a taxa geral de bombeamento sem comprometer a precisão.

p Ao empregar esta técnica, a equipe foi capaz de bombear quase um bilhão de elétrons por segundo, 300 vezes mais rápido do que o recorde anterior para uma bomba de elétrons precisa definida no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) nos EUA em 1996.

p Embora a corrente resultante de 150 picoamperes seja pequena (dez bilhões de vezes menor do que a corrente usada para ferver uma chaleira), a equipe foi capaz de medir a corrente com uma precisão de uma parte por milhão, confirmando que a bomba de elétrons foi precisa neste nível. Este resultado é um marco na precisão, velozes, manipulação de elétrons individuais e um passo importante para uma redefinição do ampere da unidade.

p Conforme relatado em Nature Communications , a equipe usou um dispositivo semicondutor em escala nano chamado 'ponto quântico' para bombear elétrons através de um circuito. O ponto quântico é uma minúscula armadilha eletrostática com menos de 0,0001 mm de largura. A forma do ponto quântico é controlada por tensões aplicadas aos eletrodos próximos.

p O ponto pode ser preenchido com elétrons e, em seguida, aumentado em energia. Por um processo conhecido como 'túnel de retorno', todos os elétrons, exceto um, caem do ponto quântico de volta ao chumbo da fonte. Idealmente, apenas um elétron permanece preso no ponto, que é ejetado no condutor de saída inclinando a armadilha. Quando isso é repetido rapidamente, isso dá uma corrente determinada apenas pela taxa de repetição e pela carga de cada elétron - uma constante universal da natureza e a mesma para todos os elétrons.

p A pesquisa dá passos significativos para redefinir o ampere, desenvolvendo a aplicação de uma bomba de elétrons que melhora as taxas de precisão na medição elétrica primária.

p Masaya Kataoka, do Quantum Detection Group da NPL, explica:"Nosso dispositivo é como uma bomba d'água, pois produz um fluxo por meio de uma ação cíclica. A parte complicada é garantir que exatamente o mesmo número de carga eletrônica seja transportado em cada ciclo.

p A maneira como os elétrons em nosso dispositivo se comportam é bastante semelhante à da água; se você tentar coletar um volume fixo de água, diga em um copo ou colher, você tem que se mover devagar, caso contrário, vai derramar um pouco. Isso é exatamente o que costumava acontecer com nossos elétrons se fossemos rápido demais. "

p Stephen Giblin também faz parte do Quantum Detection Group, acrescentou:"Nos últimos anos, trabalhamos para otimizar o design do nosso dispositivo, mas demos um grande salto à frente quando ajustamos a sequência de tempo. Basicamente, quebramos o recorde da maior corrente precisa de um único elétron por um fator de 300.

p Embora mover elétrons um de cada vez não seja novo, podemos fazer isso muito mais rápido, e com confiabilidade muito alta - um bilhão de elétrons por segundo, com uma precisão de menos de um erro em um milhão de operações.

p Usar forças mecânicas para definir o ampere fez muito sentido nos últimos 60 anos ou mais, mas agora que temos a nanotecnologia para controlar elétrons individuais, podemos seguir em frente.

p A tecnologia pode parecer mais complicada, mas na verdade um sistema quântico de medição é mais elegante, porque você está baseando seu sistema em constantes fundamentais da natureza, ao invés de coisas que sabemos não são realmente constantes, como a massa do quilograma padrão. "