Nanotecnologia

Bomba de elétron único redefine corrente elétrica

Redefinição do Ampere é possível com bomba de elétron único
Cada elétron é depositado temporariamente em um ponto quântico, sendo depois ejetado, permitindo a mais precisa medição da corrente elétrica. [Imagem: NPL]

Um nanodispositivo feito de grafeno poderá redefinir o Ampere em termos de constantes fundamentais da física.

A primeira bomba de elétron único de grafeno foi construída por uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Física e da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

De imediato, o dispositivo representa um avanço significativo para criar correntes elétricas muito precisas - na verdade, no limite da precisão.

Redefinição do Ampere

A corrente elétrica é composta de bilhões e bilhões de minúsculas partículas chamadas elétrons.

Uma bomba de elétrons doma essa enxurrada, pegando um elétron de cada vez e movendo-o através de uma barreira, criando uma corrente elétrica muito bem definida.

O Sistema Internacional de Unidades (SI) é composto por sete unidades básicas - metro, quilograma, segundo, Kelvin, Ampere, mol e candela.

Em termos ideais, estas unidades devem ser estáveis ao longo do tempo e universalmente reproduzíveis. Para que isso seja possível, suas definições devem ser baseadas nas chamadas constantes fundamentais da natureza, que sejam sempre as mesmas, onde e quando quer que sejam medidas.

Foi por isso que o metro passou a ser definido em termos da velocidade da luz - a distância que a luz percorre em 1/299.792.458 segundo - e o quilograma está para ser redefinido em termos de uma quantidade exata de átomos de carbono.

A definição do Ampere, no entanto, ainda é vulnerável e inadequada para atender às necessidades de precisão atuais e, certamente, do futuro das medições elétricas.

O valor do Ampere atualmente é derivado indiretamente da resistência ou da tensão, o que pode ser feito separadamente, utilizando o efeito Hall quântico e o efeito Josephson.

Redefinição do Ampere é possível com bomba de elétron único
As propriedades do grafeno permitiram construir uma bomba de elétrons individuais milhares de vezes mais rápida do que era possível usando metais. [Imagem: NPL/Cambridge]

Bomba de elétron único

É por isso que a autoridade mundial no campo da metrologia, a Conferência Geral de Pesos e Medidas, propôs que o Ampere seja redefinido em termos da carga do elétron.

Para isso, contudo, é preciso manipular elétrons individuais com muita precisão e de maneira consistente.

É aí que entra a bomba de elétron único, um nanodispositivo capaz de criar um fluxo de elétrons individuais, que possam ser depositados, transportados e reemitidos, um de cada vez, e em um ritmo bem definido.

Até agora as bombas de elétrons únicos eram feitas de alumínio, que são muito precisas, mas muito lentas.

Já a estrutura bidimensional única do grafeno tem as propriedades adequadas para que os elétrons entrem e saiam muito rapidamente, criando um fluxo próximo aos gigahertz que é rápido o suficiente para criar um novo padrão da corrente elétrica.

Bibliografia:

Gigahertz quantized charge pumping in graphene quantum dots
M. R. Connolly, K. L. Chiu, S. P. Giblin, M. Kataoka, J. D. Fletcher, C. Chua, J. P. Griffiths, G. A. C. Jones, V. I. Falko, C. G. Smith, T. J. B. M. Janssen
Nature Nanotechnology
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2013.73




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