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单电子晶体管研制成功 或重新精确定义电流单位

  芬兰与美国的一个研究小组研制出单电子晶体管(SET)它能将振荡电压转换成非常精确的电流,这有望更精确重新定义电流的基本单位———安培。该项科研成果刊登在近期出版的《纳米科学与技术在线资源》网站上。

  安培、伏特及欧姆是电子学的三大基本单位,后两者分别通过约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻的测量而得,然而目前的安培测量技术却还延续着十九世纪使用的版本:真空中相距1米的两根无限长且圆截面可忽略的平行导线内通过一恒定电流,当两导线每米长度之间产生的力等于2×10-7牛顿时,则规定导线中通过的电流为1安培。

这种宏观测量方法,由于受到导线几何形状的影响而限制了测量精度。

  因此,物理学家希望能通过一次产生一个电子的极为精确的电流源来重新定义安培。虽然此前研究人员曾试图制作出这样的SET,但没有人能够成功,因为实践证明要检测到如此微小的电流极为困难。最近,赫尔辛基理工大学皮科拉领导的芬美两国联合研究小组制作出的SET解决了这一难题。该SET器件包含一个联接2个隧道结的小导电岛。电子从一个结流入导电岛,从另一个结流出。每个隧道结包含一个非常薄的绝缘层,通过它电子能够实现量子机械穿隧。由于隧道结是如此的小,以致于电子间的排斥力阻止了一次有超过一个以上的电子穿隧情况的发生。

  研究人员首先将此器件降温至0.1K以减少热噪声,然后在导电岛和隧道结间加上固定电压,在栅极加上振荡电压。藉由栅极电压的振幅及平均值可精确决定每一振荡周期内穿隧通过的电子数。将此数目乘以栅极电压的频率及电子电荷量,就是通过器件的电流。由于振荡电压的幅值及频率可精确测量,电子电荷量则是固定值,于是就能精确地计算出通过的电流。皮科拉表示,将10几个上述元件并联可将电流大小增加到足以测量的100皮安,他相信SET可做为定义标准电流的电流源。

  英国国家物理实验室罗宾森表示,上述研究成果非常有趣,而且如果能找到可靠方法将该器件并联起来,并在每周期内驱动不只一个电子,它可能会有更加重大的影响。 (记者 冯卫东)

(责任编辑:romp)

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