(Phys.org) -- Une équipe de scientifiques du National Physical Laboratory (NPL) et de l'Université de Cambridge a fait des progrès significatifs dans l'utilisation de nano-dispositifs pour créer des courants électriques précis. Le courant électrique est composé de milliards et de milliards de minuscules particules appelées électrons. Ils ont développé une pompe à électrons - un nano-dispositif - qui capte ces électrons un à la fois et les déplace à travers une barrière, créant un courant électrique très bien défini.

L'appareil entraîne un courant électrique en manipulant des électrons individuels, un par un à très grande vitesse. Cette technique pourrait remplacer la définition traditionnelle du courant électrique, l'ampère, qui repose sur des mesures de forces mécaniques sur des fils porteurs de courant.

La percée clé est survenue lorsque les scientifiques ont expérimenté la forme exacte des impulsions de tension qui contrôlent le piégeage et l'éjection des électrons. En changeant lentement la tension tout en piégeant les électrons, puis beaucoup plus rapidement lors de leur éjection, il était possible d'accélérer massivement le débit global de pompage sans compromettre la précision.

En employant cette technique, l'équipe a pu pomper près d'un milliard d'électrons par seconde, 300 fois plus rapide que le précédent record pour une pompe à électrons précise établie au National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis en 1996.

Bien que le courant résultant de 150 picoampères soit faible (dix milliards de fois plus petit que le courant utilisé pour faire bouillir une bouilloire), l'équipe a pu mesurer le courant avec une précision d'une partie par million, confirmant que la pompe à électrons était précise à ce niveau. Ce résultat est un jalon dans la précision, vite, manipulation d'électrons uniques et une étape importante vers une redéfinition de l'ampère unité.

Comme indiqué dans Communication Nature , l'équipe a utilisé un dispositif semi-conducteur à l'échelle nanométrique appelé « point quantique » pour pomper des électrons à travers un circuit. La boîte quantique est un minuscule piège électrostatique de moins de 0,0001 mm de large. La forme de la boîte quantique est contrôlée par des tensions appliquées aux électrodes voisines.

Le point peut être rempli d'électrons puis élevé en énergie. Par un processus connu sous le nom de "back-tunneling", tous les électrons sauf un tombent du point quantique dans le fil source. Idéalement, un seul électron reste piégé dans le point, qui est éjecté dans le fil de sortie en inclinant le piège. Lorsque cela est répété rapidement, cela donne un courant déterminé uniquement par le taux de répétition et la charge sur chaque électron - une constante universelle de la nature et la même pour tous les électrons.

La recherche fait des pas importants vers la redéfinition de l'ampère en développant l'application d'une pompe à électrons qui améliore les taux de précision dans la mesure électrique primaire.

Masaya Kataoka du Quantum Detection Group au NPL explique :« Notre appareil est comme une pompe à eau en ce sens qu'il produit un flux par une action cyclique. La partie délicate est de s'assurer qu'exactement le même nombre de charges électroniques est transporté à chaque cycle.

La façon dont les électrons de notre appareil se comportent est assez similaire à celle de l'eau; si vous essayez de prélever un volume d'eau fixe, dire dans une tasse ou une cuillère, vous devez vous déplacer lentement sinon vous en renverserez. C'est exactement ce qui arrivait à nos électrons si nous allions trop vite."

Stephen Giblin fait également partie du Quantum Detection Group, ajoute :« Depuis quelques années, nous avons travaillé sur l'optimisation du design de notre appareil, mais nous avons fait un énorme bond en avant lorsque nous avons affiné la séquence de synchronisation. Nous avons fondamentalement battu le record du plus grand courant monoélectronique précis par un facteur 300.

Bien que déplacer des électrons un à la fois ne soit pas nouveau, nous pouvons le faire beaucoup plus rapidement, et avec une très grande fiabilité - un milliard d'électrons par seconde, avec une précision de moins d'une erreur sur un million d'opérations.

L'utilisation de forces mécaniques pour définir l'ampère a eu beaucoup de sens au cours des 60 dernières années environ, mais maintenant que nous avons la nanotechnologie pour contrôler les électrons uniques, nous pouvons passer à autre chose.

La technologie peut sembler plus compliquée, mais en réalité un système de mesure quantique est plus élégant, parce que vous basez votre système sur des constantes fondamentales de la nature, plutôt que des choses dont nous savons qu'elles ne sont pas vraiment constantes, comme la masse du kilogramme standard."