En ny gemensam innovation av National Physical Laboratory (NPL) och University of Cambridge kan bana väg för omdefiniering av ampere när det gäller grundläggande fysikkonstanter. Världens första grafen enelektronpump (SEP), beskrivs i en tidning idag i Naturnanoteknik , ger den elektronhastighet som behövs för att skapa en ny standard för elektrisk ström baserad på elektronladdning.

Det internationella enhetssystemet (SI) består av sju basenheter (mätaren, kilogram, andra, Kelvin, ampere, mullvad och candela). Helst bör dessa vara stabila över tiden och universellt reproducerbara. Detta kräver definitioner baserade på grundläggande naturkonstanter som är desamma var du än mäter dem.

Den nuvarande definitionen av Ampere, dock, är sårbar för drift och instabilitet. Detta är inte tillräckligt för att möta noggrannhetsbehoven för nuvarande och säkert framtida elektriska mätningar. Den högsta globala mätmyndigheten, Conférence Générale des Poids et Mesures, har föreslagit att ampere omdefinieras i termer av elektronladdning.

Främre i detta lopp för att omdefiniera ampere är singelelektronpumpen (SEP). SEP:er skapar ett flöde av enskilda elektroner genom att skjuta in dem i en kvantpunkt-en partikelhållande penna-och avge dem en i taget och med en väldefinierad takt. Papperet som publicerades idag beskriver hur en grafen -SEP framgångsrikt har producerats och karakteriserats för första gången, och bekräftar att dess egenskaper är extremt väl lämpade för denna applikation.

En bra SEP pumpar exakt en elektron i taget för att säkerställa noggrannhet, och pumpar dem snabbt för att generera en tillräckligt stor ström. Fram till nu har utvecklingen av en praktisk elektronpump varit en tävling med två hästar. Ställbara barriärpumpar använder traditionella halvledare och har fördelen av hastighet, medan hybridturnstilen utnyttjar supraledning och har fördelen att många kan sättas parallellt. Traditionella metalliska pumpar, tros inte vara värt att förfölja, har fått nytt liv genom att tillverka dem av världens mest kända supermaterial - grafen.

Tidigare metalliska SEP:er av aluminium är mycket exakta, men pumpa elektroner för långsamt för att göra en praktisk strömstandard. Grafens unika semimetalliska tvådimensionella struktur har precis de rätta egenskaperna för att snabbt och snabbt släppa elektroner från och från kvantpunkten, skapa ett tillräckligt snabbt elektronflöde - vid nära gigahertz -frekvens - för att skapa en aktuell standard. Achillies -hälen av metalliska pumpar, långsam pumphastighet, har således övervunnits genom att utnyttja grafens unika egenskaper.

Forskaren vid NPL och Cambridge behöver fortfarande optimera materialet och göra mer exakta mätningar, men dagens tidning markerar ett stort steg framåt på vägen mot att använda grafen för att omdefiniera ampere.

Förverkligandet av ampere härrör för närvarande indirekt från motstånd eller spänning, som kan realiseras separat med hjälp av quantum Hall -effekten och Josephson -effekten. En grundläggande definition av ampere skulle möjliggöra en direkt insikt som nationella mätinstitut runt om i världen kunde anta. Detta skulle förkorta kedjan för kalibrering av strömmätningsutrustning, spara tid och pengar för industrier som fakturerar el och använder joniserande strålning för cancerbehandling.

Nuvarande, spänning och motstånd är direkt korrelerade. Eftersom vi mäter resistans och spänning baserat på grundläggande konstanter - elektronladdning och Plancks konstant - skulle vi också kunna mäta strömmen för att bekräfta universaliteten hos dessa konstanter som många exakta mätningar bygger på.

Graphene är inte det sista ordet för att skapa en ampere standard. NPL och andra undersöker olika metoder för att definiera ström baserat på elektronladdning. Men dagens papper föreslår att grafen -SEP kan hålla svaret. Också, varje omdefinition måste vänta tills kilogrammet har omdefinierats. Denna definition, kommer att avgöras snart, kommer att fastställa värdet på elektronisk laddning, vilken elektronbaserad definition av ampere kommer att bero på.

Dagens tidning kommer också att ha viktiga konsekvenser utöver mätning. Exakta SEP:er som arbetar med hög frekvens och noggrannhet kan användas för att få elektroner att kollidera och bilda intrasslade elektronpar. Trassel tros vara en grundläggande resurs för kvantberäkning, och för att besvara grundläggande frågor inom kvantmekanik.

Malcolm Connolly, en forskningsassistent baserad i gruppen Semiconductor Physics i Cambridge, säger:"Det här dokumentet beskriver hur vi framgångsrikt har producerat den första grafen-enelektronpumpen. Vi har arbete att göra innan vi kan använda denna forskning för att omdefiniera ampere, men detta är ett stort steg mot det målet. Vi har visat att grafen överträffar andra material som används för att göra denna typ av SEP. Den är robust, lättare att producera, och fungerar med högre frekvens. Graphene avslöjar ständigt spännande nya applikationer och eftersom vår förståelse av materialet snabbt utvecklas, vi verkar kunna göra mer och mer med det. "