Małe urządzenie kwantowe zmienia definicję ampera
W ostatnich dziesięcioleciach potrzeba zwiększania dokładności i wiarygodności pomiarów spowodowała przejście do norm opartych na podstawowych wielkościach występujących w przyrodzie. W ramach finansowanego ze środków UE projektu SINHOPSI naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge, Narodowego Laboratorium Fizycznego, Uniwersytetu Aalto oraz Uniwersytetu Nowej Południowej Walii połączyli siły w celu stworzenia nowej technologii kwantowej, mogącej mieć kluczowe znaczenie dla stworzenia nowej normy w zakresie prądu elektrycznego, opartej na ładunkach elektronów. Eksperymentalne demonstracje doprowadziły do rozwoju zarówno w zakresie dokładnego wytwarzania prądu elektrycznego, jak i teledetekcji pojedynczego ładunku. „Systemy kwantowe są uznawane za najbardziej stabilne i niezawodne narzędzia metrologiczne, ponieważ dzięki opisowi matematycznemu mogą być silnie powiązane z podstawowymi stałymi”, zauważa dr Alessandro Rossi. Odejście od fizycznych artefaktów Międzynarodowy układ jednostek (SI) definiuje siedem wielkości, które są uważane za elementy składowe fizyki. System ten ewoluuje i zmienia się wraz z pojawieniem się nowych potrzeb w zakresie wiedzy i pomiarów. „Jesteśmy obecnie w trakcie rewolucji w dziedzinie metrologii, a wszystkie siedem podstawowych jednostek – metr, kilogram, sekunda, kelwin, amper, mol i kandela – będzie ostatecznie oparte na stałych, niezmiennych wielkościach występujących w przyrodzie”, mówi dr Rossi. „Definicje te powinny być stabilne w czasie, uniwersalnie powtarzalne i nie powinny opierać się na obiektach, które zmieniają kształt, tracą integralność lub zmieniają charakterystykę wraz z upływem czasu”. Większość jednostek podstawowych SI ma obecnie dokładną fizyczną definicję, tak jak na przykład metr, który jest zdefiniowany jako odległość, jaką światło przemierza w określonym czasie. Jednak definicja ampera jest podatna na niestabilność. Obecnie jeden amper definiuje się jako stały prąd płynący w dwóch wąskich, nieskończenie długich przewodach równoległych, umieszczonych w próżni w odległości jednego metra od siebie, wytwarzający pomiędzy nimi siłę równą 2×10–7 niutonów na każdy metr długości. „Ten liczący sobie 70 lat wzór jest jednak kłopotliwy, niedokładny i niemożliwy do zrealizowania w prawdziwym eksperymencie bez przybliżeń”, zauważa dr Rossi. Nowatorskie urządzenie tranzystorowe Aby na nowo zdefiniować amper, naukowcy opracowali nowe podejście oparte na produkcji nanometrycznych kwantowych urządzeń elektronicznych i używaniu ich w temperaturach bliskich zera absolutnego. Urządzenia te nazywane są pompami jednoelektronowymi (SEP), ponieważ precyzyjnie emitują jeden elektron na raz i zapewniają większą dokładność i stabilność przy wytwarzaniu prądu elektrycznego niż jakiekolwiek inne urządzenie. Technologia ta umożliwi wyznaczenie nowej definicji ampera jako prądu płynącego w kierunku przepływu określonej liczby elektronów na sekundę. Najbardziej niezawodny typ tych urządzeń wykorzystuje elektrostatycznie definiowane kropki kwantowe, będące małymi obszarami materiału półprzewodnikowego, w których pojedyncze elektrony mogą być uwięzione i uwolnione na życzenie. Do produkcji SEP naukowcy SINHOPSI wykorzystywali nanotranzystory krzemowe, które mają wyraźną przewagę nad konkurencyjnymi technologiami. „Nowatorstwo tych urządzeń polega na możliwości dokładnego dostrojenia wielkości kropki kwantowej, co skutkuje znacznym zwiększeniem dokładności prądu elektrycznego”, wyjaśnia dr Rossi. W projekcie SINHOPSI opracowano i przetestowano jedne z najdokładniejszych istniejących SEP opartych na nanoelektronice krzemowej. Naukowcy donoszą w szczególności, że te nowo opracowane urządzenia mogą generować prąd równy 0,16x10-9 amperów przy dokładności rzędu 0,27 części na milion, co oznacza, że są trzykrotnie dokładniejsze od tych, które ustanowiły poprzedni światowy rekord. „Jeśli zastanowimy się, co to oznacza na poziomie pojedynczych elektronów, możemy powiedzieć, że co sekundę udaje nam się wyizolować i przenieść 1 miliard elektronów z błędem nieprzekraczającym 270 elektronów. Żaden inny system nanoelektroniczny nie jest równie szybki i dokładny”, zauważa dr Rossi. Pomiar aerozoli Poza dalekosiężnymi implikacjami wynikającymi ze zmiany definicji jednostki ampera, nowa pompa może okazać się przydatna w wielu dziedzinach, w tym w określaniu poziomu promieniotwórczości w komorach jonizacyjnych i liczeniu cząsteczek aerozoli w powietrzu. W obu przypadkach nowo opracowane stabilne źródła prądu opracowane w SINHOPSI mogą znacząco poprawić dokładność i dostępność kalibracji prądów o małym natężeniu.
Słowa kluczowe
SINHOPSI, pompa amperowa, jednoelektronowa, prąd elektryczny, ładunek elektronowy, kropka kwantowa, mechanika kwantowa, nanotranzystory, krzemowe, liczenie cząsteczek aerozoli
