Entro il 2018, gli scienziati vogliono che tutte le unità fisiche di base siano basate su solidi, costanti fondamentali immutabili. Le unità "metro" e "secondo" sono in netto anticipo rispetto al programma; il kelvin, il chilogrammo, la mole e l'ampere sono i prossimi in linea. Gli scienziati della Physikalisch-Technische Bundesanstalt sono ora riusciti a misurare le correnti estremamente piccole di una pompa a singolo elettrone con una precisione senza precedenti. Questa è una pietra miliare verso la revisione del Sistema Internazionale di Unità (SI).

L'attuale definizione di ampere è tutt'altro che conveniente. Si basa su un'ipotetica configurazione di prova che include due conduttori di lunghezza infinita. In questa configurazione, un ampere genererebbe una forza precisamente fissata. Questa definizione è quindi strettamente correlata alla massa, che ha dato per lungo tempo seri grattacapi ai fisici a causa dell'instabilità del prototipo internazionale del chilogrammo. L'attuale definizione del chilogrammo limita nettamente la precisione con cui l'ampere può essere realizzato. I fisici hanno quindi deciso che il prototipo del chilogrammo è diventato obsoleto e dovrà "ritirarsi" nel 2018, e che i fondamenti del SI dovrebbero, allo stesso tempo, essere completamente rivista.

Per aiutare l'ampere a fare il salto nel regno delle costanti fondamentali, i fisici stanno contando gli elettroni che fluiscono in un dato periodo di tempo attraverso una pista conduttiva larga solo pochi nanometri. Ciò presuppone che siano in grado di manipolare il flusso di elettroni, che hanno ottenuto per mezzo di una pompa a singolo elettrone. Pompa singoli elettroni attraverso quella che può essere immaginata come una catena montuosa da una valle all'altra. In questo modo, è possibile contare gli elettroni che arrivano nella "valle, " e quindi determinare la carica elementare.

Le pompe a singolo elettrone presentano due sfide principali:in primo luogo, le pompe erogano solo correnti molto piccole, che sono difficili da misurare. Secondo, si verificano errori statistici durante il trasporto degli elettroni, ad esempio, quando un elettrone ricade nella "valle" da cui è venuto o quando due elettroni vengono pompati nella stessa valle. Questo è dannoso per la precisione. È già stata sviluppata una soluzione per risolvere gli errori di pompaggio ed è stata dimostrata con pompe molto lente. I fisici collegano più pompe in serie e tra le pompe, speciali rivelatori indicano se nella valle passano troppi o troppo pochi elettroni. È così possibile correggere gli errori mentre le pompe sono attive.

Ora, gli scienziati di PTB hanno sviluppato con successo una tecnica per affrontare la sfida della misurazione. Grazie a un nuovo amplificatore, i ricercatori sono in grado di amplificare la piccola corrente prodotta dalle pompe di un fattore di circa 1000. In combinazione con altri due standard quantistici, è ora possibile misurare piccole correnti con un livello di precisione senza precedenti.

Nel loro lavoro, I fisici di PTB hanno dimostrato che le pompe a singolo elettrone controllate forniscono una realizzazione dell'ampere notevolmente più precisa di quella consentita dalla definizione di ampere convenzionale. "Per ora, la pompa a singolo elettrone viene azionata senza correzione. Però, la misurazione ha mostrato che gli errori sono, infatti, così piccolo che il metodo di correzione dovrebbe funzionare anche con queste pompe veloci. Questa è una vera pietra miliare verso il nuovo SI, " spiega Franz Ahlers, capo del dipartimento di metrologia quantistica elettrica di PTB. Non sembrano esserci ostacoli rimanenti alla ridefinizione dell'ampere, prevista per il 2018. Poiché la ridefinizione comporterà solo piccolissime modifiche nelle unità elettriche, la revisione del SI non sarà evidente per la maggior parte dei consumatori. Però, le cose sembrano leggermente diverse in campi come la micro e nanoelettronica o la metrologia medica e ambientale. In zone come queste, il nuovo ampere consentirà una calibrazione molto più accurata degli strumenti di misura.