År 2018, forskare vill att alla fysiska basenheter ska baseras på fasta, oföränderliga grundkonstanter. Enheterna "mätare" och "andra" ligger långt före schemat; kelvin, kilogrammet, mullvad och ampere är nästa i kön. Forskare från Physikalisch-Technische Bundesanstalt har nu lyckats mäta de extremt små strömmarna hos en enelektronpump med oöverträffad noggrannhet. Detta är en milstolpe mot revisionen av International System of Units (SI).

Den nuvarande definitionen av ampere är allt annat än bekväm. Den är baserad på en hypotetisk testuppställning som innehåller två ledare av oändlig längd. I denna inställning, en ampere skulle generera en exakt fast kraft. Denna definition är alltså nära besläktad med massa, som har gett fysiker allvarlig huvudvärk under lång tid på grund av instabiliteten hos den internationella prototypen för kilogrammet. Den nuvarande definitionen av kilogrammet begränsar kraftigt precisionen med vilken ampere kan realiseras. Fysiker har därför bestämt att kilogramprototypen har blivit föråldrad och kommer att behöva "gå i pension" under 2018, och att grunden för SI bör, på samma gång, revideras noggrant.

För att hjälpa ampere att ta språnget till området för grundläggande konstanter, fysiker räknar elektronerna som flyter under en viss tidsperiod genom ett ledande spår som bara är några nanometer brett. Detta förutsätter att de kan manipulera elektronflödet, som de har uppnått med hjälp av en en-elektronpump. Den pumpar enstaka elektroner genom det som kan tänkas som en bergskedja från en dal till nästa. På det här sättet, det är möjligt att räkna elektronerna som anländer till "dalen, "och därmed för att bestämma den elementära laddningen.

Enkel-elektronpumpar utgör två huvudutmaningar:För det första, pumparna levererar endast mycket små strömmar, som är svåra att mäta. Andra, statistiska fel uppstår vid elektrontransport, till exempel, när en elektron faller tillbaka in i "dalen" där den kom ifrån eller när två elektroner pumpas in i samma dal. Detta skadar precisionen. En lösning har redan utvecklats för att lösa pumpfelen och har demonstrerats med mycket långsamma pumpar. Fysikerna ansluter flera pumpar i serie och mellan pumparna, speciella detektorer anger om för många eller för få elektroner passerar genom dalen. Det är således möjligt att korrigera fel medan pumparna är aktiva.

Nu, forskare vid PTB har framgångsrikt utvecklat en teknik för att möta mätutmaningen. Tack vare en ny förstärkare, forskare kan förstärka den lilla strömmen som pumparna producerar med en faktor på cirka 1000. Kombinerat med två andra kvantstandarder, det är nu möjligt att mäta små strömmar med en oöverträffad precision.

I deras arbete, PTB:s fysiker har visat att kontrollerade enelektronpumpar ger en betydligt mer exakt förverkligande av ampere än vad den konventionella amperdefinitionen tillåter. "För närvarande, enelektronpumpen drivs utan korrigering. Dock, mätningen visade att felen är, verkligen, så liten att korrigeringsmetoden också borde fungera med dessa snabba pumpar. Detta är en verklig milstolpe mot det nya SI, "förklarar Franz Ahlers, chef för avdelningen för elektrisk kvantmetrologi vid PTB. Det verkar inte finnas några kvarvarande hinder för omdefinieringen av ampere, som är planerad till 2018. Eftersom omdefinieringen bara kommer att orsaka mycket små förändringar i de elektriska enheterna, revisionen av SI kommer inte att märkas för de flesta konsumenter. Dock, saker ser lite annorlunda ut inom områden som mikro- och nano-elektronik eller inom medicinsk och miljömätning. På områden som dessa, den nya ampere möjliggör en mycket mer exakt kalibrering av mätinstrument.