Door de EU gefinancierde wetenschappers zijn erin geslaagd de ampère te herdefiniëren in termen van fundamentele natuurkundige constanten. Op basis van de elektronenlading, het nieuw ontwikkelde microscopische apparaat is tot nu toe gerapporteerd als de meest nauwkeurige techniek voor het maken van metingen van kleine stromen.

In de afgelopen decennia is de behoefte aan steeds nauwkeuriger en betrouwbaarder metingen heeft geleid tot een verschuiving naar normen die gebaseerd zijn op fundamentele grootheden van de natuur.

Binnen het door de EU gefinancierde project SINHOPSI, onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, het National Physical Laboratory en Hitachi Ltd hebben hun krachten gebundeld bij het creëren van nieuwe kwantumtechnologie die cruciaal is voor het creëren van een nieuwe standaard voor elektrische stroom op basis van elektronenladingen. Experimentele demonstraties hebben de stand van de techniek van zowel nauwkeurige elektrische stroomopwekking als single-charge remote sensing verbeterd.

"Kwantumgebaseerde systemen worden erkend als de meest stabiele en betrouwbare metrologische hulpmiddelen omdat ze sterk verweven kunnen zijn met fundamentele constanten door hun wiskundige beschrijving, " merkt Dr. Alessandro Rossi op.

Weg van fysieke artefacten

Het internationale systeem van eenheden (SI) definieert zeven grootheden die worden beschouwd als de bouwstenen van de natuurkunde. Dit systeem evolueert en verandert naarmate er nieuwe kennis en meetbehoeften ontstaan. "We bevinden ons momenteel midden in een revolutie in de metrologiewetenschap, waarbij alle zeven basiseenheden – de meter, kilogram, tweede, Kelvin, ampère, mol en candela – zullen uiteindelijk verankerd worden in onveranderlijke natuurconstanten, " zegt Dr. Rossi. "Deze definities zouden in de loop van de tijd stabiel moeten zijn, universeel reproduceerbaar en niet gebaseerd op objecten die van vorm veranderen, integriteit verliezen of eigenschappen veranderen in de loop van de tijd."

De meeste SI-basiseenheden hebben nu een duidelijke fysieke definitie, net als de meter die wordt gedefinieerd door de afstand die het licht in een bepaalde tijd aflegt. Echter, de definitie van de ampère is gevoelig voor instabiliteit. Momenteel, één ampère wordt gedefinieerd als de constante stroom die in twee smalle, oneindig lange parallelle geleiders die een meter van elkaar in vacuüm zijn geplaatst en die een kracht produceren die gelijk is aan 2 × 10-7 Newton ertussen per meter lengte. "Deze negentiende-eeuwse formulering is, echter, moeizaam, onnauwkeurig en onmogelijk te implementeren in een echt experiment zonder compromitterende benaderingen te maken, " merkt dr. Rossi op.

Nieuw transistorachtig apparaat

Om de ampère opnieuw te definiëren, wetenschappers hebben nu een nieuwe benadering gekozen die gebaseerd is op het vervaardigen van kwantumelektronische apparaten ter grootte van nanometers en deze te laten werken bij bijna absolute nultemperaturen. Deze apparaten worden enkel-elektronpompen (SEP's) genoemd omdat ze precies één elektron tegelijk uitzenden en een hogere nauwkeurigheid en stabiliteit beloven voor het genereren van elektrische stroom dan enig ander apparaat.

Het meest betrouwbare type van deze apparaten maakt gebruik van elektrostatisch gedefinieerde kwantumdots, dit zijn kleine gebieden van een halfgeleidermateriaal waar individuele elektronen naar believen kunnen worden gevangen en vrijgegeven. Voor het vervaardigen van de SEP, SINHOPSI-wetenschappers gebruikten silicium nanotransistoren die een baanbrekend voordeel hebben ten opzichte van concurrerende technologieën. "De nieuwigheid van deze apparaten is afhankelijk van het vermogen om de grootte van de kwantumdot nauwkeurig af te stemmen, wat resulteert in een duidelijke verbetering in termen van nauwkeurigheid van elektrische stroom, " legt dr. Rossi uit.

SINHOPSI heeft tot nu toe de meest nauwkeurige SEP's ontwikkeld en getest op basis van silicium nano-elektronica. Vooral, wetenschappers hebben gemeld dat deze nieuw ontwikkelde apparaten drie keer zo nauwkeurig zijn als die waarmee het vorige wereldrecord werd gevestigd, terwijl ze de nauwkeurigheid op een niveau van drie delen per miljoen houden. "Als we bedenken wat dit betekent op het niveau van enkele elektronen, we kunnen zeggen dat elke seconde, we slagen erin om 1 miljard elektronen te vangen en over te dragen met een fout van 270 elektronen of minder. Geen enkel ander elektronisch systeem is zo nauwkeurig, " merkt dr. Rossi op.

Spuitbus tellen

Naast de verstrekkende implicaties die voortvloeien uit de herdefiniëring van de ampère-eenheid, de nieuwe pomp zou nuttig kunnen zijn op een aantal gebieden, waaronder de bepaling van radioactiviteitsniveaus in ionisatiekamers en het tellen van aerosoldeeltjes in de lucht. In beide gevallen, de nieuw ontwikkelde stabiele referentiestroombronnen ontwikkeld in SINHOPSI kunnen de nauwkeurigheid en beschikbaarheid van kleine stroomkalibratiemogelijkheden aanzienlijk verbeteren.