Переосмысление единицы силы тока с помощью графена
 Схематическое изображение одноэлектронного насоса из графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Международная система единиц (СИ) состоит из семи основных единиц, в число которых входят: метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, моль и кандела. При этом ампер, вольт и ом – это три основные единицы раздела электричество. Хотя физики уже предложили современные способы представления вольта и ома (через измерение напряжения Джозефсона и сопротивления квантового эффекта Холла, соответственно), в настоящее время пока нет достойного эквивалента, базирующегося на фундаментальных постоянных, для ампера.
Действительно, в настоящее время ампер определяется, как ток, который, протекая через два параллельных проводника длиной 1 метр, вызывает определенное взаимодействие между ними. Экспериментально такое макроскопическое определение тока крайне сложно реализовать, и точность результатов будет зависеть от ряда других базовых величин, таких как килограмм, значение которых уточняется с течением времени.
По мнению научного сообщества, решить проблему должен был так называемый «одноэлектронный насос» (single-electron pump, SEP) создающий достаточный для измерения поток отдельных электронов. До недавнего времени ученые чаще всего рассматривали возможность производства одного из двух типов «одноэлектронных насосов»: быстро работающие и гибко настраиваемые барьерные насосы, созданные из полупроводников, а также так называемые гибридные установки из сверхпроводников, которые могут устанавливаться параллельно, что позволяет повысить выходной ток. Практические реализации еще одного типа «насоса» (из металла) до сих пор слишком медленно работали, чтобы каким-то образом послужить определению ампера.
Однако для решения проблемы определения единицы силы тока совместная группа ученых из National Physical Laboratory (Великобритания) и Cavendish Laboratory в Кембридже предложила новую конструкцию чрезвычайно точного устройства из графена, способного испускать в каждый момент времени только один электрон, базирующуюся именно на третьей схеме. Заменив металл на графен в созданной ранее конструкции, исследователям удалось значительно повысить эффективность работы устройства.
Выбор в пользу графена в данной конструкции пал не случайно. Ранние эксперименты показали, что этот материал идеален для пропускания больших токов через его двухмерную кристаллическую структуру. А ведь именно это свойство особенно важно для создания быстрых одноэлектронных насосов. В созданном устройстве поток электронов может достигать гигагерцовых частот, что достаточно близко к тому, чтобы задать стандарт.
Команда создала свое устройство при помощи отслоения графена от куска графита с использованием липкой ленты. Структура одноэлектронного насоса была сформирована с помощью «откалывания» от листа графена отдельных участков. Для этого часть материала закрывалась специальной полимерной маской, а остальная площадь подвергалась атомному «обстрелу» и своеобразного «пескоструйного аппарата». Как отмечают сами ученые, учитывая пожелания по частоте работы, к точности соблюдения спроектированной геометрии устройства предъявлялись особо жесткие требования.
Чтобы на основе данного устройства можно было сформировать действующий стандарт, его все еще необходимо оптимизировать, а также обеспечить более точные измерения электрического тока, проходящего через установку. Кроме того, необходимо выяснить, как ошибки в конструкции механизма могут ухудшить точность прибора.
Помимо перспектив переопределения ампера, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology работа доказывает, что единичным зарядом в квантовых точках из графена можно управлять на высоких частотах. Этот шаг имеет большое значение для развития квантовых компьютеров, в частности, на основе спинов электрона в графене.
Также по теме:
- Графен с дефектами применим для охлаждения
- Ученые обнаружили бистабильность графена
- Покрытие из новых двумерных кристаллов позволяет легко получать электроэнергию
- Ученые визуализировали «танцы» кластеров из атомов кремния в графене
- Графен поможет ученым ответить на вопрос об источнике «паразитного» шума
Источники: