Strömmätning genom att räkna varje elektron. Nytt sätt att mäta elektrisk ström
Gruppen för kvantkomponentfysik på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, vid Chalmers har som första forskargrupp i världen lyckats mäta en ström genom att räkna de enstaka elektroner som passerar i en nanoelektronisk krets Det är ett fundamentalt nytt sätt mäta elektrisk ström som kan få sin tillämpning, till exempel, vid mätning av extremt små strömmar med mycket stor noggrannhet. Rönen redovisas i tidskriften Nature.
Forskarna har skapat en kedja av tunna isolerande skikt, så kallade tunnelövergångar, mellan metalliska nano-öar, och integrerat denna kedja med den mest känsliga laddningssensor som finns. Elektronens laddning är mycket liten och svår att detektera.
Principschema över den nya metoden att mäta mycket små strömmar med stor noggrannhet.
– Normalt transporteras elektronerna i en elektrisk ledare på ett oordnat sätt, men i vår kedja tvingas elektronerna att rada upp sig som ett tåg, och när detta tåg rör sig längs kedjan genom kvantmekanisk tunnling kan vi detektera varje enskild elektron. Detta fenomen förutsades av ryska forskare för 20 år sedan, men har inte kunnat demonstreras experimentellt förrän nu, säger Jonas Bylander, doktorand i gruppen.
Vanligtvis mäter man en ström, I, genom att mäta spänningen V över en resistor med känd resistans R och använda Ohms lag, I=V/R. De enstaka elektronerna märks då inte. I modern mätteknik strävar man emellertid efter att uttrycka fysikaliska storheter i form av minsta enheter, kvanta, och den elektriska strömmens kvantum är elektronens laddning, e. Om elektronerna passerar en och en med frekvensen f ges då strömmen av sambandet I=ef. Med den nya metoden kan man mäta strömmar betydligt mindre än en picoampere.
– Vår metod kan utvecklas till en ny, bättre definition av enheten ampere. Vidare kalibrerar mätningen sig själv då den enda parameter som är involverad är en naturkonstant, e. Metoden är helt fri från systematiska fel och drift och kan komma att användas för att mäta mycket små strömmar, fortsätter Jonas Bylander.
Artikeln i Nature:
Current measurement by real-time counting of single electrons.
Jonas Bylander, Tim Duty and Per Delsing, Department of Microtechnology and Nanoscience (MC2), Chalmers University of Technology
Nature 17 mars 2005.
Kontaktinformation
Mer information:
Jonas Bylander, tel: 031-772 3244 eller 0702-534439,
e-post: jonas.bylander@mc2.chalmers.se
Tim Duty, tel: 031-772 5170
e-post: tim.duty@mc2.chalmers.se
Per Delsing, tel: 070-3088317,
e-post: per.delsing@mc2.chalmers.se
Båda är på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola i Göteborg.
