Un minúsculo dispositivo cuántico que redefine el amperio
A lo largo de los últimos decenios, la necesidad de realizar mediciones cada vez más precisas y fiables ha determinado el avance hacia estándares basados en cantidades fundamentales de la naturaleza. En el marco del proyecto SINHOPSI, financiado con fondos europeos, investigadores de la Universidad de Cambridge, el Laboratorio Nacional de Física, la Universidad de Aalto y la Universidad de Nueva Gales del Sur unieron fuerzas para crear una novedosa tecnología cuántica que podría resultar fundamental para la creación del nuevo estándar de corriente eléctrica basado en las cargas de electrones individuales. Las demostraciones experimentales han puesto de manifiesto los últimos avances de la generación precisa de corriente eléctrica y de la detección remota de una sola carga. «Los sistemas cuánticos son reconocidos como las herramientas metrológicas más estables y fiables, ya que pueden entrelazarse fuertemente con constantes fundamentales a través de su descripción matemática», apunta el doctor Alessandro Rossi. Alejarse de los artefactos físicos El Sistema Internacional de Unidades (SI) define siete cantidades que se consideran los pilares fundamentales de la física. Este sistema evoluciona y cambia a medida que surgen nuevas necesidades de conocimiento y medición. «Actualmente nos encontramos en medio de una revolución de la ciencia metrológica, en la que, en última instancia, las siete unidades básicas (metro, kilogramo, segundo, kelvin, amperio, mol y candela) quedarán ancladas constantes invariables de la naturaleza», comenta el doctor Rossi. «Estas definiciones deberían ser estables a lo largo del tiempo, reproducibles universalmente y no estar basadas en objetos que podrían perder su integridad o cambiar sus características con el paso del tiempo». Ahora, la mayoría de las unidades base del SI tienen una definición física clara, como el metro, que se define por la distancia que la luz recorre en un tiempo determinado. Sin embargo, la definición del amperio es propensa a inestabilidad. En este momento, un amperio se define como la corriente constante que fluye en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, y que produce una fuerza igual a 2×10–7 newton por metro de longitud. «No obstante, esta formulación de hace setenta años es compleja, imprecisa e imposible de poner en práctica en un experimento real sin conceder ciertas aproximaciones», comenta el doctor Rossi. Novedoso dispositivo parecido a un transistor Ahora, para redefinir el amperio, los científicos han recurrido a un nuevo enfoque basado en la fabricación de dispositivos cuánticos de tamaño nanométrico y en su uso en temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos dispositivos se denominan bombas de un solo electrón (SEP), ya que emiten exactamente un electrón cada vez y aseguran una precisión y una estabilidad mayores para la generación de corriente eléctrica en comparación con otros dispositivos. Esta tecnología permitirá ofrecer una nueva definición de amperio como la corriente en la dirección de un flujo de una cantidad determinada de electrones por segundo. El tipo más fiable de estos dispositivos utiliza puntos cuánticos definidos electrostáticamente, que son pequeñas zonas de un material semiconductor en el que se pueden capturar y liberar electrones individuales a voluntad. En la fabricación de la SEP, los científicos de SINHOPSI usaron nanotransistores de silicio, que ofrecen una ventaja puntera sobre tecnologías competidoras. «La novedad de estos dispositivos se basa en la posibilidad de ajustar minuciosamente el tamaño del punto cuántico, con lo que se consigue una notable mejora en términos de la precisión de la corriente eléctrica», explica el doctor Rossi. SINHOPSI desarrolló y probó SEP basadas en nanoelectrónica de silicio que han demostrado estar entre las más precisas. En concreto, se observó que estos dispositivos de nuevo desarrollo son capaces de generar una corriente de 0,16x10-9 amperios con una precisión de de 0,27 partes por millón, tres veces más preciso que los didspositivos que tenían el récord anterior. «Si tenemos en cuenta lo que esto significa a escala de electrones únicos, podemos afirmar que conseguimos aislar y transferir 1 000 millones de electrones por segundo, con un margen de error igual o menor a 270 electrones. Ningún otro sistema nanoelectrónico es tan rápido y preciso», indica el doctor Rossi. Recuento submicrónico Además de las implicaciones de gran calado que se derivan de la redefinición de amperio, la novedosa bomba podría resultar útil en una serie de ámbitos, incluida la determinación de los niveles de radiactividad en cámaras de ionización y el recuento de partículas submicrónicas en el aire. En ambos casos, las fuentes de corriente de referencia estable recién creadas que se han desarrollado en el marco de SINHOPSI pueden mejorar considerablemente la precisión y la disponibilidad de la capacidad de calibración de corrientes de poca intensidad.
Palabras clave
SINHOPSI, amperio, bomba de un solo electrón, SEP, corriente eléctrica, carga del electrón, punto cuántico, mecánica cuántica, nanotransistores, silicio, recuento submicrónico
