Team baner vejen for omdefinering af amperen

I 2018, forskere ønsker, at alle fysiske baseenheder skal være baseret på faste, uforanderlige grundkonstanter. Enhederne "meter" og "anden" er langt forud for planen; kelvin, kilogrammet, muldvarpen og amperen er næste i rækken. Det er nu lykkedes forskere fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt at måle de ekstremt små strømme af en enkelt-elektronpumpe med en hidtil uset nøjagtighed. Dette er en milepæl i retning af revisionen af ​​International System of Units (SI).

Den nuværende definition af ampere er alt andet end praktisk. Det er baseret på en hypotetisk testopsætning, der indeholder to ledere af uendelig længde. I denne opsætning, en ampere ville generere en præcist fast kraft. Denne definition er således tæt forbundet med masse, som har givet fysikere alvorlig hovedpine i lang tid på grund af ustabiliteten af ​​den internationale prototype af kilogrammet. Den nuværende definition af kilogrammet begrænser skarpt den præcision, hvormed amperen kan realiseres. Fysikere har derfor besluttet, at kilogramprototypen er blevet forældet og bliver nødt til at "gå på pension" i 2018, og at grundlaget for SI bør, på samme tid, blive grundigt revideret.

For at hjælpe amperen med at tage springet ind i området med grundlæggende konstanter, fysikere tæller elektronerne, der flyder over en given tidsperiode gennem et ledende spor, der kun er få nanometer bredt. Dette forudsætter, at de er i stand til at manipulere elektronstrømmen, som de har opnået ved hjælp af en enkelt-elektronpumpe. Det pumper enkelte elektroner gennem det, der kan forestilles som en bjergkæde fra den ene dal til den næste. På denne måde, det er muligt at tælle elektronerne, der ankommer til "dalen, "og dermed for at bestemme den elementære ladning.

Single-elektron pumper udgør to hovedudfordringer:For det første, pumperne leverer kun meget små strømme, som er svære at måle. Sekund, der opstår statistiske fejl under elektrontransport, for eksempel, når en elektron falder tilbage i "dalen", hvor den kom fra, eller når to elektroner pumpes ind i den samme dal. Dette er skadeligt for præcisionen. Der er allerede udviklet en løsning til at løse pumpefejlene og er blevet demonstreret med meget langsomme pumper. Fysikerne forbinder flere pumper i serie og mellem pumperne, særlige detektorer angiver, om for mange eller for få elektroner passerer gennem dalen. Det er således muligt at rette fejl, mens pumperne er aktive.

Nu, forskere på PTB har med succes udviklet en teknik til at imødekomme måleudfordringen. Takket være en ny forstærker, forskere er i stand til at forstærke den lille strøm, der produceres af pumperne med en faktor på cirka 1000. Kombineret med to andre kvantestandarder, det er nu muligt at måle små strømme med et hidtil uset præcisionsniveau.

I deres arbejde, PTBs fysikere har vist, at kontrollerede enkeltelektronpumper giver en betydeligt mere præcis realisering af amperen, end den konventionelle amperedefinition tillader. "Indtil videre, enkeltelektronpumpen drives uden korrektion. Imidlertid, målingen viste, at fejlene er, Ja, så lille, at korrektionsmetoden også skulle fungere med disse hurtige pumper. Dette er en reel milepæl i retning af det nye SI, "forklarer Franz Ahlers, leder af Electrical Quantum Metrology Department of PTB. Der ser ikke ud til at være nogen hindringer for omdefinitionen af ​​amperen, som er planlagt til 2018. Da omdefinitionen kun vil medføre meget små ændringer i de elektriske enheder, revisionen af ​​SI vil ikke være mærkbar for de fleste forbrugere. Imidlertid, tingene ser lidt anderledes ud på områder som mikro- og nano-elektronik eller inden for medicinsk og miljømæssig metrologi. På områder som disse, den nye ampere vil muliggøre en meget mere præcis kalibrering af måleinstrumenter.