tegen 2018, wetenschappers willen dat alle fysieke basiseenheden gebaseerd zijn op solide, onveranderlijke fundamentele constanten. De eenheden "meter" en "seconde" liggen ruim voor op schema; de kelvin, de kilo, de mol en de ampère zijn de volgende in de rij. Wetenschappers van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt zijn er nu in geslaagd om de extreem kleine stromen van een enkelvoudige elektronenpomp met ongekende nauwkeurigheid te meten. Dit is een mijlpaal in de richting van de herziening van het International System of Units (SI).

De huidige definitie van de ampère is allesbehalve handig. Het is gebaseerd op een hypothetische testopstelling met twee geleiders van oneindige lengte. In deze opstelling, een ampère zou een precies vaste kracht genereren. Deze definitie is dus nauw verwant aan massa, die natuurkundigen lange tijd ernstige hoofdpijn heeft bezorgd vanwege de instabiliteit van het internationale prototype van de kilogram. De huidige definitie van de kilogram beperkt de nauwkeurigheid waarmee de ampère kan worden gerealiseerd sterk. Natuurkundigen hebben daarom besloten dat het kilogram-prototype verouderd is en in 2018 met pensioen moet, en dat de fundamenten van de SI, tegelijkertijd, grondig worden herzien.

Om de ampère te helpen de sprong naar het rijk van fundamentele constanten te maken, natuurkundigen tellen de elektronen die over een bepaalde tijdsperiode door een geleidend spoor van slechts enkele nanometers breed stromen. Dit veronderstelt dat ze de elektronenstroom kunnen manipuleren, die ze hebben bereikt door middel van een pomp met één elektron. Het pompt enkele elektronen door wat je je kunt voorstellen als een bergketen van de ene vallei naar de andere. Op deze manier, is het mogelijk om de elektronen te tellen die aankomen in de "vallei, " en zo de elementaire lading te bepalen.

Single-electron pompen bieden twee belangrijke uitdagingen:de pompen leveren slechts zeer kleine stromen, die moeilijk te meten zijn. Tweede, statistische fouten optreden tijdens elektronentransport, bijvoorbeeld, wanneer een elektron terugvalt in de "vallei" waar het vandaan kwam of wanneer twee elektronen in dezelfde vallei worden gepompt. Dit gaat ten koste van de precisie. Er is al een oplossing ontwikkeld om de pompfouten op te lossen en deze is gedemonstreerd met zeer trage pompen. De natuurkundigen verbinden meerdere pompen in serie en tussen de pompen, speciale detectoren geven aan of er te veel of te weinig elektronen door de vallei gaan. Het is dus mogelijk om fouten te corrigeren terwijl de pompen actief zijn.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van PTB hebben met succes een techniek ontwikkeld om de meetuitdaging aan te gaan. Dankzij een nieuwe versterker, onderzoekers zijn in staat om de kleine stroom die door de pompen wordt geproduceerd met een factor van ongeveer 1000 te versterken. Gecombineerd met twee andere kwantumstandaarden, het is nu mogelijk om kleine stromen te meten met een ongekend niveau van precisie.

In hun werk, De fysici van PTB hebben aangetoond dat gecontroleerde enkelvoudige elektronenpompen een aanzienlijk nauwkeurigere realisatie van de ampère opleveren dan de conventionele ampèredefinitie toelaat. "Voorlopig, de pomp met één elektron werkt zonder correctie. Echter, de meting toonde aan dat de fouten, inderdaad, zo klein dat de correctiemethode ook bij deze snelle pompen zou moeten werken. Dit is een echte mijlpaal in de richting van de nieuwe SI, " legt Franz Ahlers uit, hoofd van de afdeling Electrical Quantum Metrology van PTB. Er lijken geen obstakels meer te zijn voor de herdefiniëring van de ampère, die is gepland voor 2018. Aangezien de herdefinitie slechts zeer kleine veranderingen in de elektrische eenheden zal veroorzaken, de herziening van de SI zal voor de meeste consumenten niet merkbaar zijn. Echter, dingen zien er iets anders uit op gebieden zoals micro- en nano-elektronica of in medische en ecologische metrologie. In gebieden als deze, de nieuwe ampère maakt een veel nauwkeurigere kalibratie van meetinstrumenten mogelijk.