Японцы показали возможность цифровой модуляции единичными электронами

Японский национальный институт AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) совместно с рядом ведущих учебных и исследовательских подразделений, включая небезызвестную компанию Nippon Telegraph and Telephone Corporation, разработал первую в мире технологию и схемотехнику для управления цифровой модуляцией с помощью манипуляции единичными электронами. Это открывает путь к электронике с предельно малыми токами, которые только возможны, ведь ток — это поток электронов и что может быть меньше, чем перенос заряда единичным электроном?

Электронная полупроводниковая схема для манипуляцией одним электроном и принцип использования цифрового сигнала для дальнейшей модуляции (AIST)

Разработки одноэлектронных приборов (транзисторов) ведутся достаточно давно и не только японцами. Например, десять лет назад наш сайт рассказывал об одноэлектронных транзисторах из графена. Как и другие разработчики, специалисты института AIST использовали принцип кулоновской блокады, когда в одном ограниченном пространстве не может находиться больше допустимого числа электронов — сила отталкивания не даёт им приблизиться ближе допустимого. Созданы прототипы электронных приборов с дозированным испусканием электронов в одном направлении — это источники постоянного тока. Учёные AIST преуспели в том, что первыми сумели создать одноэлектронные приборы для генерации переменного тока в достаточно широком частотном диапазоне: от нуля герц до мегагерц. И это, подчеркнём, предельно малые из возможных токов на уровне нескольких фемтоампер (10−15 А).

Два вида модуляции, воспроизведённые с помощью одноэлектронного сигнала (AIST)

Для создания переменного тока минимального уровня была создана электронная схема, управляющая единичным электроном как для создания постоянного тока, только в схему были добавлены приборы для управления периодом испускания электронов. По сути, единичные электроны использовались для цифровой модуляции волны заданной формы. Регулируя интервалы времени между испусканием электронов с помощью обычного цифрового сигнала, который подавался на контакты одноэлектронной «пушки», исследователи смогли сформировать на выходе как синусоиду, так и прямоугольную волну. Это обычная цифровая модуляция, только амплитуда волны измерялась значениями токов на уровне энергетических состояний одного электрона.

Полученная на практике синусоида и прямоугодьная волна частотой 80 кГц с амплитудой 5 пикоампер (AIST)

Разработанная в институте AIST технология жизненно необходима для дальнейшего развития электроники. Это ключ к пониманию процессов в цепях наноуровня, ведь с такими инструментами можно с высочайшей точностью измерить токи и напряжения, а также на практике изучить физику процессов, проходящих где-то там внизу, где полно места, как говорил великий физик Ричард Фейнман.