EU-finansierade forskare har lyckats omdefiniera amperen i termer av fysikens grundläggande konstanter. Baserat på elektronladdningen, den nyutvecklade mikroskopiska enheten har rapporterats vara den mest exakta tekniken för att göra mätningar av små strömmar hittills.

Under de senaste decennierna, behovet av allt mer noggranna och tillförlitliga mätningar har bestämt en förskjutning mot standarder baserade på grundläggande naturkvantiteter.

Inom det EU-finansierade projektet SINHOPSI, forskare från University of Cambridge, National Physical Laboratory och Hitachi Ltd har gått samman för att skapa ny kvantteknologi som är avgörande för att skapa en ny standard för elektrisk ström baserad på elektronladdningar. Experimentella demonstrationer avancerade det senaste inom både exakt generering av elektrisk ström och enladdad fjärranalys.

"Kvantbaserade system är erkända som de mest stabila och pålitliga metrologiska verktygen eftersom de kan vara starkt sammanflätade med grundläggande konstanter genom sin matematiska beskrivning, " konstaterar Dr Alessandro Rossi.

Att gå bort från fysiska artefakter

Det internationella enhetssystemet (SI) definierar sju storheter som anses vara fysikens byggstenar. Detta system utvecklas och förändras i takt med att nya kunskaps- och mätbehov uppstår. "Vi är för närvarande mitt i en revolution inom metrologivetenskap, där alla sju basenheterna – mätaren, kilogram, andra, Kelvin, ampere, mullvad och candela – kommer i slutändan att förankras i naturens oföränderliga konstanter, " säger Dr Rossi. "Dessa definitioner bör vara stabila över tiden, universellt reproducerbar och inte baserad på objekt som ändrar form, förlora integritet eller ändra egenskaper med tiden."

De flesta SI-basenheter har nu en tydlig fysisk definition, precis som mätaren som definieras av den sträcka ljuset färdas under en given tid. Dock, definitionen av ampere är benägen att bli instabil. Just nu, en ampere definieras som den konstanta strömmen som flyter i två smala, oändligt långa parallella ledare placerade en meter från varandra i vakuum som producerar en kraft lika med 2×10–7 Newton mellan dem per meter längd. "Denna 1800-talsformulering är, dock, besvärlig, felaktiga och omöjliga att implementera i ett verkligt experiment utan att göra kompromissande approximationer, " konstaterar Dr Rossi.

Ny transistorliknande enhet

För att omdefiniera ampere, forskare har nu börjat använda ett nytt tillvägagångssätt baserat på att tillverka kvantelektronik i nanometerstorlek och använda dem vid nästan absoluta nolltemperaturer. Dessa enheter kallas single-electron pumps (SEPs) eftersom de exakt avger en elektron i taget och lovar högre noggrannhet och stabilitet för generering av elektrisk ström än någon annan enhet.

Den mest pålitliga typen av dessa enheter använder sig av elektrostatiskt definierade kvantprickar, som är små områden av ett halvledarmaterial där enskilda elektroner kan fångas och frigöras efter behag. För tillverkning av SEP, SINHOPSI-forskare använde nanotransistorer av kisel som har en spjutspetsfördel gentemot konkurrenskraftig teknik. "Nyheten hos dessa enheter är beroende av förmågan att noggrant finjustera storleken på kvantpunkten vilket resulterar i en markant förbättring när det gäller elektrisk strömnoggrannhet, " förklarar Dr Rossi.

SINHOPSI har utvecklat och testat de mest exakta SEP:erna baserade på kisel nanoelektronik hittills. Särskilt, Forskare har rapporterat att dessa nyutvecklade enheter är tre gånger så exakta som de som satte det tidigare världsrekordet, medan de bibehåller noggrannheten på en nivå av tre miljondelar. "Om vi ​​överväger vad detta betyder på nivån av enskilda elektroner, vi kan säga att varje sekund, vi lyckas fånga och överföra 1 miljard elektroner med ett fel på 270 elektroner eller mindre. Inget annat elektroniskt system är så korrekt, " konstaterar Dr Rossi.

Aerosolräkning

Förutom de långtgående implikationerna som härrör från omdefinieringen av ampereenheten, den nya pumpen kan visa sig användbar inom ett antal områden, inklusive bestämning av radioaktivitetsnivåer i joniseringskammare och räkning av aerosolpartiklar i luften. I båda fallen, de nyutvecklade stabila referensströmkällorna som utvecklats i SINHOPSI kan avsevärt förbättra noggrannheten och tillgängligheten av småströmskalibreringskapacitet.