Lille kvanteenhed til at omdefinere ampere

Det er lykkedes EU-finansierede forskere at omdefinere amperen med hensyn til fysikkens grundlæggende konstanter. Baseret på elektronladningen, den nyudviklede mikroskopiske enhed er blevet rapporteret som den mest nøjagtige teknik til at foretage målinger af bittesmå strømme til dato.

I løbet af de sidste årtier har behovet for stadig mere nøjagtighed og pålidelige målinger har bestemt et skift til standarder baseret på grundlæggende naturmængder.

Inden for det EU-finansierede projekt SINHOPSI, forskere fra University of Cambridge, National Physical Laboratory og Hitachi Ltd er gået sammen om at skabe ny kvante -teknologi kritisk for at skabe en ny standard for elektrisk strøm baseret på elektronladninger. Eksperimentelle demonstrationer avancerede den nyeste teknik inden for både nøjagtig elektrisk strømgenerering og fjernbetjening med enkelt opladning.

"Kvantbaserede systemer anerkendes som de mest stabile og pålidelige metrologiske værktøjer, da de stærkt kan sammenflettes med grundlæggende konstanter gennem deres matematiske beskrivelse, "bemærker Dr. Alessandro Rossi.

Bevægelse væk fra fysiske artefakter

Det internationale enhedssystem (SI) definerer syv størrelser, der anses for at være fysikkens byggesten. Dette system udvikler sig og ændrer sig, efterhånden som der opstår ny viden og målebehov. "Vi er i øjeblikket midt i en revolution inden for metrologi, hvor alle syv baseenheder - måleren, kilogram, sekund, Kelvin, ampere, muldvarp og candela - vil i sidste ende blive forankret til uforanderlige naturkonstanter, "siger Dr. Rossi." Disse definitioner bør være stabile over tid, universelt reproducerbar og ikke baseret på objekter, der ændrer form, miste integritet eller ændre egenskaber over tid. "

De fleste SI -basenheder har nu en klar fysisk definition, ligesom måleren, der er defineret af den afstand, lyset bevæger sig på en given tid. Imidlertid, definitionen af ​​ampere er tilbøjelig til ustabilitet. I øjeblikket, en ampere er defineret som den konstante strøm, der flyder i to smalle, uendeligt lange parallelle ledere placeret en meter fra hinanden i vakuum, der producerer en kraft svarende til 2 × 10-7 Newton mellem dem pr. meter længde. "Denne formulering fra det nittende århundrede er, imidlertid, besværligt, unøjagtig og umulig at implementere i et ægte eksperiment uden at gå på kompromis med tilnærmelser, "bemærker Dr. Rossi.

Ny transistorlignende enhed

For at omdefinere ampere, forskere har nu slået til en ny tilgang baseret på fremstilling af kvanteelektroniske enheder i nanometerstørrelse og betjening af dem ved næsten absolutte nultemperaturer. Disse enheder kaldes enkeltelektronpumper (SEP'er), da de præcist udsender en elektron ad gangen og lover højere nøjagtighed og stabilitet for elektrisk strømproduktion end nogen anden enhed.

Den mest pålidelige type af disse enheder gør brug af elektrostatisk definerede kvantepunkter, som er små områder af et halvledermateriale, hvor individuelle elektroner kan fanges og frigives efter behag. Til fremstilling af SEP, SINHOPSI-forskere brugte silicium-nanotransistorer, der har en banebrydende fordel i forhold til konkurrencedygtige teknologier. "Nyheden i disse enheder er afhængig af evnen til omhyggeligt at finjustere størrelsen af ​​kvantepunktet, hvilket resulterer i en markant forbedring med hensyn til elektrisk strømnøjagtighed, "forklarer Dr. Rossi.

SINHOPSI har udviklet og testet de mest nøjagtige SEP'er baseret på silicium nanoelektronik til dato. I særdeleshed, forskere har rapporteret, at disse nyudviklede enheder er tre gange så præcise som dem, der satte den tidligere verdensrekord, mens de fastholder nøjagtigheden på et niveau på tre dele pr. million. "Hvis vi overvejer, hvad dette betyder på niveauet af enkeltelektroner, vi kan sige, at hvert sekund, det lykkes os at fange og overføre 1 milliard elektroner med en fejl på 270 elektroner eller mindre. Intet andet elektronisk system er dette nøjagtigt, "bemærker Dr. Rossi.

Aerosol tæller

Udover de vidtrækkende konsekvenser, der stammer fra omdefinering af ampereenheden, den nye pumpe kunne vise sig nyttig på en række områder, herunder bestemmelse af radioaktivitetsniveauer i ioniseringskamre og tælling af aerosolpartikler i luften. I begge tilfælde, de nyudviklede stabile referencestrømkilder, der er udviklet i SINHOPSI, kan forbedre nøjagtigheden og tilgængeligheden af ​​små strømkalibreringsevner betydeligt.