Een nieuwe gezamenlijke innovatie van het National Physical Laboratory (NPL) en de Universiteit van Cambridge zou de weg kunnen effenen voor het herdefiniëren van de ampère in termen van fundamentele constanten van de fysica. 's Werelds eerste grafeen enkel-elektron pomp (SEP), beschreven in een krant van vandaag in Natuur Nanotechnologie , biedt de snelheid van elektronenstroom die nodig is om een ​​nieuwe standaard voor elektrische stroom te creëren op basis van elektronenlading.

Het internationale systeem van eenheden (SI) omvat zeven basiseenheden (de meter, kilogram, tweede, Kelvin, ampère, mol en candela). Idealiter zouden deze in de loop van de tijd stabiel en universeel reproduceerbaar moeten zijn. Dit vereist definities op basis van fundamentele natuurconstanten die overal hetzelfde zijn.

De huidige definitie van de Ampere, echter, is kwetsbaar voor drift en instabiliteit. Dit is niet voldoende om te voldoen aan de nauwkeurigheidseisen van de huidige en zeker toekomstige elektrische metingen. De hoogste wereldwijde meetautoriteit, de Conférence Générale des Poids et Mesures, heeft voorgesteld om de ampère opnieuw te definiëren in termen van de elektronenlading.

De koploper in deze race om de ampère opnieuw te definiëren is de single-electron pump (SEP). SEP's creëren een stroom van individuele elektronen door ze naar een kwantumpunt te brengen - een pen die deeltjes vasthoudt - en ze één voor één en met een goed gedefinieerde snelheid uit te zenden. Het vandaag gepubliceerde artikel beschrijft hoe een grafeen-SEP voor het eerst met succes is geproduceerd en gekarakteriseerd, en bevestigt dat zijn eigenschappen uitermate geschikt zijn voor deze toepassing.

Een goede SEP pompt precies één elektron tegelijk om nauwkeurigheid te garanderen, en pompt ze snel om een ​​voldoende grote stroom te genereren. Tot nu toe was de ontwikkeling van een praktische elektronenpomp een race van twee paarden. Afstembare barrièrepompen gebruiken traditionele halfgeleiders en hebben het voordeel van snelheid, terwijl de hybride tourniquet supergeleiding gebruikt en het voordeel heeft dat er veel parallel kunnen worden gezet. Traditionele metalen pompen, dacht dat het niet de moeite waard was om na te streven, hebben een nieuw leven gekregen door ze te fabriceren uit 's werelds beroemdste supermateriaal - grafeen.

Eerdere metalen SEP's van aluminium zijn zeer nauwkeurig, maar pompen elektronen te langzaam om een ​​praktische stroomstandaard te maken. De unieke semi-metalen tweedimensionale structuur van grafeen heeft precies de juiste eigenschappen om elektronen heel snel op en van de kwantumdot te laten komen, het creëren van een elektronenstroom die snel genoeg is - met een frequentie van bijna gigahertz - om een ​​huidige standaard te creëren. De achilleshiel van metalen pumps, langzame pompsnelheid, is dus overwonnen door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van grafeen.

De wetenschapper van NPL en Cambridge moet het materiaal nog optimaliseren en nauwkeurigere metingen doen, maar de krant van vandaag markeert een grote stap voorwaarts op weg naar het gebruik van grafeen om de ampère opnieuw te definiëren.

De realisatie van de ampère wordt momenteel indirect afgeleid van weerstand of spanning, die afzonderlijk kan worden gerealiseerd met behulp van het kwantum Hall-effect en het Josephson-effect. Een fundamentele definitie van de ampère zou een directe realisatie mogelijk maken die nationale meetinstituten over de hele wereld zouden kunnen overnemen. Dit zou de keten voor het kalibreren van stroommeetapparatuur verkorten, tijd en geld besparen voor industrieën die elektriciteit factureren en ioniserende straling gebruiken voor de behandeling van kanker.

Huidig, spanning en weerstand zijn direct gecorreleerd. Omdat we weerstand en spanning meten op basis van fundamentele constanten - elektronenlading en de constante van Planck - zou het kunnen meten van stroom ons ook in staat stellen de universaliteit van deze constanten te bevestigen waarop veel nauwkeurige metingen berusten.

Grafeen is niet het laatste woord bij het maken van een ampèrestandaard. NPL en anderen onderzoeken verschillende methoden om stroom te definiëren op basis van elektronenlading. Maar het artikel van vandaag suggereert dat grafeen-SEP's het antwoord zouden kunnen bevatten. Ook, elke herdefinitie zal moeten wachten tot de Kilogram opnieuw is gedefinieerd. Deze definitie, binnenkort beslist, zal de waarde van elektronische lading bepalen, waarvan elke op elektronen gebaseerde definitie van de ampère zal afhangen.

De paper van vandaag zal ook belangrijke implicaties hebben die verder gaan dan alleen te meten. Nauwkeurige SEP's die met een hoge frequentie en nauwkeurigheid werken, kunnen worden gebruikt om elektronen te laten botsen en verstrengelde elektronenparen te vormen. Verstrengeling wordt beschouwd als een fundamentele hulpbron voor kwantumcomputers, en voor het beantwoorden van fundamentele vragen in de kwantummechanica.

Malcolm Connolly, een onderzoeksmedewerker gevestigd in de Semiconductor Physics-groep in Cambridge, zegt:"Dit artikel beschrijft hoe we met succes de eerste grafeenpomp met één elektron hebben geproduceerd. We hebben nog werk te doen voordat we dit onderzoek kunnen gebruiken om de ampère opnieuw te definiëren, maar dit is een grote stap in de richting van dat doel. We hebben aangetoond dat grafeen beter presteert dan andere materialen die zijn gebruikt om deze stijl van SEP te maken. Het is robuust, gemakkelijker te produceren, en werkt op een hogere frequentie. Grafeen onthult voortdurend spannende nieuwe toepassingen en naarmate ons begrip van het materiaal snel vordert, we lijken er steeds meer mee te kunnen doen."