Una nuova innovazione congiunta del National Physical Laboratory (NPL) e dell'Università di Cambridge potrebbe aprire la strada alla ridefinizione dell'ampere in termini di costanti fondamentali della fisica. La prima pompa al mondo a singolo elettrone (SEP) al grafene, descritto in un giornale oggi in Nanotecnologia della natura , fornisce la velocità del flusso di elettroni necessaria per creare un nuovo standard per la corrente elettrica basato sulla carica degli elettroni.

Il sistema internazionale di unità (SI) comprende sette unità di base (il metro, chilogrammo, secondo, Kelvin, ampere, talpa e candela). Idealmente questi dovrebbero essere stabili nel tempo e universalmente riproducibili. Ciò richiede definizioni basate su costanti fondamentali della natura che sono le stesse ovunque le si misuri.

L'attuale definizione di Ampere, però, è vulnerabile alla deriva e all'instabilità. Ciò non è sufficiente per soddisfare le esigenze di precisione delle misurazioni elettriche presenti e certamente future. La più alta autorità di misurazione globale, la Conférence Générale des Poids et Mesures, ha proposto di ridefinire l'ampere in termini di carica dell'elettrone.

Il capofila in questa corsa per ridefinire l'ampere è la pompa a singolo elettrone (SEP). I SEP creano un flusso di singoli elettroni trasportandoli in un punto quantico – una penna che trattiene le particelle – ed emettendoli uno alla volta e a una velocità ben definita. Il documento pubblicato oggi descrive come un SEP di grafene è stato prodotto e caratterizzato con successo per la prima volta, e conferma che le sue proprietà sono estremamente adatte a questa applicazione.

Un buon SEP pompa esattamente un elettrone alla volta per garantire la precisione, e li pompa rapidamente per generare una corrente sufficientemente grande. Finora lo sviluppo di una pratica pompa elettronica è stata una corsa a due. Le pompe a barriera sintonizzabili utilizzano semiconduttori tradizionali e hanno il vantaggio di velocità, mentre il tornello ibrido utilizza la superconduttività e ha il vantaggio che molti possono essere messi in parallelo. Pompe metalliche tradizionali, pensato di non valere la pena perseguire, hanno ricevuto una nuova prospettiva di vita fabbricandoli con il super-materiale più famoso del mondo:il grafene.

I precedenti SEP metallici in alluminio sono molto precisi, ma pompa gli elettroni troppo lentamente per creare uno standard pratico attuale. L'esclusiva struttura semimetallica bidimensionale del grafene ha le proprietà giuste per far entrare e uscire gli elettroni dal punto quantico molto rapidamente, creando un flusso di elettroni abbastanza veloce - a una frequenza vicina ai gigahertz - per creare uno standard attuale. Il tacco d'Achille delle décolleté metalliche, bassa velocità di pompaggio, è stato così superato sfruttando le proprietà uniche del grafene.

Lo scienziato dell'NPL e di Cambridge deve ancora ottimizzare il materiale e fare misurazioni più accurate, ma il documento di oggi segna un importante passo avanti verso l'utilizzo del grafene per ridefinire l'ampere.

La realizzazione dell'ampere è attualmente derivata indirettamente dalla resistenza o dalla tensione, che può essere realizzato separatamente utilizzando l'effetto Hall quantistico e l'effetto Josephson. Una definizione fondamentale dell'ampere consentirebbe una realizzazione diretta che gli Istituti Nazionali di Misura di tutto il mondo potrebbero adottare. Ciò accorcerebbe la catena per la calibrazione delle apparecchiature di misurazione della corrente, risparmiando tempo e denaro per le industrie che fatturano l'elettricità e utilizzano le radiazioni ionizzanti per il trattamento del cancro.

Attuale, tensione e resistenza sono direttamente correlate. Poiché misuriamo la resistenza e la tensione in base a costanti fondamentali - carica dell'elettrone e costante di Planck - essere in grado di misurare la corrente ci consentirebbe anche di confermare l'universalità di queste costanti su cui si basano molte misurazioni precise.

Il grafene non è l'ultima parola nella creazione di uno standard di ampere. NPL e altri stanno studiando vari metodi per definire la corrente in base alla carica degli elettroni. Ma il documento di oggi suggerisce che i SEP di grafene potrebbero contenere la risposta. Anche, l'eventuale ridefinizione dovrà attendere la ridefinizione del chilogrammo. Questa definizione, da decidere a breve, fisserà il valore della carica elettronica, da cui dipenderà qualsiasi definizione elettronica dell'ampere.

Il documento di oggi avrà anche importanti implicazioni al di là della misurazione. SEP accurati che operano ad alta frequenza e precisione possono essere utilizzati per far collidere gli elettroni e formare coppie di elettroni entangled. Si ritiene che l'entanglement sia una risorsa fondamentale per l'informatica quantistica, e per rispondere a domande fondamentali nella meccanica quantistica.

Malcom Connolly, un ricercatore associato con sede nel gruppo di fisica dei semiconduttori a Cambridge, afferma:"Questo documento descrive come abbiamo prodotto con successo la prima pompa a singolo elettrone al grafene. Abbiamo del lavoro da fare prima di poter utilizzare questa ricerca per ridefinire l'ampere, ma questo è un passo importante verso questo obiettivo. Abbiamo dimostrato che il grafene supera gli altri materiali utilizzati per realizzare questo stile di SEP. è robusto, più facile da produrre, e funziona a frequenze più alte. Il grafene rivela costantemente nuove entusiasmanti applicazioni e man mano che la nostra comprensione del materiale avanza rapidamente, sembriamo in grado di fare sempre di più con esso."