Scienziati finanziati dall'UE sono riusciti a ridefinire l'ampere in termini di costanti fondamentali della fisica. In base alla carica dell'elettrone, il dispositivo microscopico di nuova concezione è stato segnalato come la tecnica più accurata per effettuare misurazioni di piccole correnti fino ad oggi.

Negli ultimi decenni, la necessità di misurazioni sempre più precise e affidabili ha determinato uno spostamento verso standard basati su grandezze fondamentali della natura.

Nell'ambito del progetto SINHOPSI, finanziato dall'UE, ricercatori dell'Università di Cambridge, il National Physical Laboratory e Hitachi Ltd hanno unito le forze nella creazione di una nuova tecnologia quantistica fondamentale per la creazione di un nuovo standard per la corrente elettrica basata sulle cariche di elettroni. Le dimostrazioni sperimentali hanno fatto avanzare lo stato dell'arte sia della generazione accurata di corrente elettrica che del telerilevamento a carica singola.

"I sistemi basati sui quanti sono riconosciuti come gli strumenti metrologici più stabili e affidabili in quanto possono essere fortemente intrecciati con le costanti fondamentali attraverso la loro descrizione matematica, " nota il Dott. Alessandro Rossi.

Allontanarsi dagli artefatti fisici

Il sistema internazionale di unità (SI) definisce sette quantità che sono considerate gli elementi costitutivi della fisica. Questo sistema si sta evolvendo e cambiando man mano che sorgono nuove conoscenze e necessità di misurazione. "Siamo attualmente nel mezzo di una rivoluzione nella scienza della metrologia, dove tutte e sette le unità di base – il metro, chilogrammo, secondo, Kelvin, ampere, talpa e candela – saranno infine ancorati a costanti invariabili della natura, " afferma il dottor Rossi. "Queste definizioni dovrebbero essere stabili nel tempo, universalmente riproducibile e non basato su oggetti che cambiano forma, perdere integrità o cambiare le caratteristiche nel tempo."

La maggior parte delle unità di base SI ha ora una chiara definizione fisica, proprio come il metro che è definito dalla distanza percorsa dalla luce in un dato tempo. Però, la definizione dell'ampere è soggetta a instabilità. Al momento, un ampere è definito come la corrente costante che scorre in due stretti, conduttori paralleli infinitamente lunghi posti a un metro di distanza nel vuoto che producono una forza pari a 2×10–7 Newton tra loro per metro di lunghezza. "Questa formulazione del diciannovesimo secolo è, però, ingombrante, impreciso e impossibile da implementare in un vero esperimento senza fare approssimazioni compromettenti, " nota il dottor Rossi.

Nuovo dispositivo simile a un transistor

Per ridefinire l'ampere, gli scienziati hanno ora attivato un nuovo approccio basato sulla produzione di dispositivi elettronici quantistici di dimensioni nanometriche e sul loro funzionamento a temperature prossime allo zero assoluto. Questi dispositivi sono chiamati pompe a elettrone singolo (SEP) poiché emettono con precisione un elettrone alla volta e promettono una maggiore precisione e stabilità per la generazione di corrente elettrica rispetto a qualsiasi altro dispositivo.

Il tipo più affidabile di questi dispositivi utilizza punti quantici definiti elettrostaticamente, che sono piccole regioni di un materiale semiconduttore in cui i singoli elettroni possono essere intrappolati e rilasciati a piacimento. Per la produzione del SEP, Gli scienziati di SINHOPSI hanno utilizzato nanotransistor di silicio che presentano un vantaggio all'avanguardia rispetto alle tecnologie della concorrenza. "La novità di questi dispositivi si basa sulla capacità di mettere a punto con cura la dimensione del punto quantico con conseguente netto miglioramento in termini di precisione della corrente elettrica, " spiega il dottor Rossi.

SINHOPSI ha sviluppato e testato fino ad oggi i SEP più accurati basati sulla nanoelettronica di silicio. In particolare, gli scienziati hanno riferito che questi dispositivi di nuova concezione sono tre volte più precisi di quelli che hanno stabilito il precedente record mondiale, mentre mantengono la precisione a un livello di tre parti per milione. "Se consideriamo cosa questo significa a livello di singoli elettroni, possiamo dire che ogni secondo, riusciamo a intrappolare e trasferire 1 miliardo di elettroni con un errore di 270 elettroni o meno. Nessun altro sistema elettronico è così accurato, " nota il dottor Rossi.

Conteggio dell'aerosol

Oltre alle implicazioni di vasta portata derivanti dalla ridefinizione dell'unità di ampere, la nuova pompa potrebbe rivelarsi utile in una serie di aree, tra cui la determinazione dei livelli di radioattività nelle camere a ionizzazione e il conteggio delle particelle di aerosol nell'aria. In entrambi i casi, le nuove sorgenti di corrente di riferimento stabili sviluppate in SINHOPSI possono migliorare significativamente l'accuratezza e la disponibilità della capacità di calibrazione a bassa corrente.