Eksperimenter med drejekors af enkelte elektroner viser vej mod ny effektstandard

Verdens mest almindeligt anvendte målesystem, International System of Units (SI), blev omdefineret i 2019. Siden da har det været nødvendigt at definere enheder ud fra naturens konstanter – det vil sige naturens regler, der er faste og ingen usikkerhed, såsom lysets hastighed – og ikke i form af vilkårlige referencer.

Dette har betydet, at der er behov for ny forskning for at relatere systemets mange enheder til konstanterne gennem eksperimentelle realiseringer.

"Omdefineringen har skabt et behov for nye erkendelser," siger professor Jukka Pekola.

Forskere ved Aalto Universitet har nu fundet en lovende ny måde at forbinde watt (kraftenheden) med naturens konstanter. De mener, at deres metode kunne vise vejen mod en ny strømstandard; det vil sige en ny måde at producere en kendt mængde strøm, som andre strømkilder og detektorer kan sammenlignes med.

Forskerne har udviklet en enhed, der konverterer frekvens til strøm. Frekvens er en størrelse, der kan indstilles med lav usikkerhed, og derfor giver den et solidt grundlag for en ny standard.

"Frekvens kan defineres meget, meget præcist. Hvis du kan få de andre mængder til at afhænge af frekvens på en kendt måde, så har du en meget præcis standard," siger Pekola.

Desuden har forskerne opdaget, at en sådan afhængighed adlyder en simpel lov med nøjagtighed og robusthed.

"Disse egenskaber øger chancerne for at bruge denne metode som standard," siger Marco Marín Suárez, en ph.d.-kandidat.

"Dybest set er dette en potentiel ny måde at realisere en watt, eller energiflux, blot ved at indstille tidligere kendte mængder," beskriver Marín Suárez.

I eksperimentet produceres der strøm med en enkelt-elektron transistor i sin drejekorsdrift. Denne enhed blev tidligere bevist af Pekola for at fungere som en potentiel standard for ampere, enheden for elektrisk strøm. Den består af en lille metallisk ø, kilde- og drænledninger og en gate-elektrode, og den kan adressere meget små kræfter.

Vejen fra et forslag til en faktisk accepteret ny standard er lang. Aalto-forskere håber, at deres arbejde næste gang vil tiltrække sig opmærksomhed fra metrologer, som ville tage det videre med mere præcise målinger.

"Dette første eksperiment var ikke på niveau med metrologi endnu. Vi kunne dog demonstrere, at dette princip virker, og vi har også vist, hvor de vigtigste fejl kommer fra. Det er endnu uvist, om dette kommer til at blive vedtaget af metrologisamfundet ," opsummerer Pekola.

Forskerne søger nu at skubbe deres forslag frem ved at karakterisere, hvor godt loven om konvertering af frekvens til strøm tilpasser sig deres metode. Dette vil øge nøjagtigheden, hvormed små kræfter kan kalibreres.

Eksperimenterne blev udført ved OtaNanos nationale forskningsinfrastruktur. Professor Pekolas gruppe er en del af QTF Center of Excellence og InstituteQ, det finske kvanteinstitut. + Udforsk yderligere

Øjeblikke af stilhed viser vejen mod bedre superledere