Grafen deltager i kapløbet om at omdefinere amperen

En ny fælles innovation fra National Physical Laboratory (NPL) og University of Cambridge kan bane vejen for at omdefinere ampere i form af fundamentale fysikkonstanter. Verdens første grafen enkeltelektronpumpe (SEP), beskrevet i en avis i dag i Natur nanoteknologi , giver den hastighed af elektronstrømmen, der er nødvendig for at skabe en ny standard for elektrisk strøm baseret på elektronladning.

Det internationale system af enheder (SI) omfatter syv basisenheder (meteren, kilogram, sekund, Kelvin, ampere, muldvarp og candela). Ideelt set bør disse være stabile over tid og universelt reproducerbare. Dette kræver definitioner baseret på fundamentale naturkonstanter, som er de samme, uanset hvor du måler dem.

Den nuværende definition af Ampere, imidlertid, er sårbar over for drift og ustabilitet. Dette er ikke tilstrækkeligt til at opfylde nøjagtighedsbehovene for nuværende og helt sikkert fremtidige elektriske målinger. Den højeste globale målemyndighed, Conférence Générale des Poids et Mesures, har foreslået, at amperen omdefineres i forhold til elektronladningen.

Frontløberen i dette kapløb om at omdefinere amperen er single-electron pumpen (SEP). SEP'er skaber en strøm af individuelle elektroner ved at sende dem ind i en kvanteprik - en partikelholdende pen - og udsende dem én ad gangen og med en veldefineret hastighed. Papiret, der er offentliggjort i dag, beskriver, hvordan en grafen SEP er blevet produceret og karakteriseret med succes for første gang, og bekræfter, at dens egenskaber er særdeles velegnede til denne applikation.

En god SEP pumper præcis én elektron ad gangen for at sikre nøjagtighed, og pumper dem hurtigt for at generere en tilstrækkelig stor strøm. Indtil nu har udviklingen af ​​en praktisk elektronpumpe været et tohesteløb. Afstembare barrierepumper bruger traditionelle halvledere og har fordelen ved hastighed, mens den hybride drejekors udnytter superledning og har den fordel, at mange kan sættes parallelt. Traditionelle metalliske pumper, menes ikke at være værd at forfølge, har fået nyt liv ved at fremstille dem af verdens mest berømte supermateriale - grafen.

Tidligere metalliske SEP'er lavet af aluminium er meget nøjagtige, men pumpe elektroner for langsomt til at lave en praktisk strømstandard. Graphenes unikke semimetalliske todimensionelle struktur har de helt rigtige egenskaber til at lade elektroner komme til og fra kvanteprikken meget hurtigt, skabe en hurtig nok elektronstrøm - ved næsten gigahertz frekvens - til at skabe en aktuel standard. Achillieshælen af ​​metalliske pumps, langsom pumpehastighed, er således blevet overvundet ved at udnytte grafens unikke egenskaber.

Forskeren ved NPL og Cambridge mangler stadig at optimere materialet og foretage mere nøjagtige målinger, men dagens papir markerer et stort skridt fremad på vejen mod at bruge grafen til at omdefinere amperen.

Realiseringen af ​​amperen er i øjeblikket afledt indirekte fra modstand eller spænding, som kan realiseres separat ved hjælp af kvante Hall-effekten og Josephson-effekten. En grundlæggende definition af amperen ville tillade en direkte erkendelse, som nationale måleinstitutter rundt om i verden kunne vedtage. Dette ville forkorte kæden til kalibrering af strømmåleudstyr, sparer tid og penge for industrier, der fakturerer for elektricitet og bruger ioniserende stråling til kræftbehandling.

Nuværende, spænding og modstand er direkte korreleret. Fordi vi måler modstand og spænding baseret på fundamentale konstanter – elektronladning og Plancks konstant – vil det at kunne måle strøm også give os mulighed for at bekræfte universaliteten af ​​disse konstanter, som mange præcise målinger er afhængige af.

Grafen er ikke det sidste ord i at skabe en amperestandard. NPL og andre undersøger forskellige metoder til at definere strøm baseret på elektronladning. Men dagens papir antyder, at grafen-SEP'er kan indeholde svaret. Også, enhver omdefinering skal vente, indtil Kilogrammet er blevet omdefineret. Denne definition, skal snart besluttes, vil fastsætte værdien af ​​elektronisk ladning, som enhver elektronbaseret definition af amperen vil afhænge af.

Dagens papir vil også have vigtige implikationer ud over måling. Nøjagtige SEP'er, der opererer ved høj frekvens og nøjagtighed, kan bruges til at få elektroner til at kollidere og danne sammenfiltrede elektronpar. Entanglement menes at være en grundlæggende ressource for kvanteberegning, og til at besvare grundlæggende spørgsmål inden for kvantemekanik.

Malcolm Connolly, en forskningsmedarbejder baseret i Semiconductor Physics-gruppen i Cambridge, siger:"Dette papir beskriver, hvordan vi med succes har produceret den første grafen-enkeltelektronpumpe. Vi har arbejde at gøre, før vi kan bruge denne forskning til at omdefinere amperen, men dette er et stort skridt hen imod det mål. Vi har vist, at grafen udkonkurrerer andre materialer, der bruges til at lave denne SEP-stil. Den er robust, nemmere at producere, og fungerer ved højere frekvens. Grafen afslører konstant spændende nye applikationer, og efterhånden som vores forståelse af materialet udvikler sig hurtigt, vi ser ud til at kunne gøre mere og mere med det."