Uma nova inovação conjunta do National Physical Laboratory (NPL) e da Universidade de Cambridge pode abrir caminho para redefinir o ampere em termos de constantes fundamentais da física. A primeira bomba de elétron único de grafeno (SEP) do mundo, descrito em um artigo hoje em Nature Nanotechnology , fornece a velocidade do fluxo de elétrons necessária para criar um novo padrão para a corrente elétrica com base na carga do elétron.

O sistema internacional de unidades (SI) compreende sete unidades básicas (o medidor, quilograma, segundo, Kelvin, ampere, toupeira e candela). Idealmente, eles devem ser estáveis ​​ao longo do tempo e reproduzíveis universalmente. Isso requer definições baseadas em constantes fundamentais da natureza, que são as mesmas onde quer que você as mede.

A presente definição de Ampère, Contudo, é vulnerável a deriva e instabilidade. Isso não é suficiente para atender às necessidades de precisão das medições elétricas atuais e certamente futuras. A mais alta autoridade global de medição, a Conférence Générale des Poids et Mesures, propôs que o ampere seja redefinido em termos da carga do elétron.

A vanguarda nesta corrida para redefinir o ampere é a bomba de elétron único (SEP). Os SEPs criam um fluxo de elétrons individuais transportando-os para um ponto quântico - uma caneta segurando uma partícula - e emitindo-os um de cada vez e a uma taxa bem definida. O artigo publicado hoje descreve como um SEP de grafeno foi produzido e caracterizado com sucesso pela primeira vez, e confirma que suas propriedades são extremamente adequadas para esta aplicação.

Um bom SEP bombeia precisamente um elétron por vez para garantir a precisão, e os bombeia rapidamente para gerar uma corrente suficientemente grande. Até agora, o desenvolvimento de uma bomba de elétrons prática tem sido uma corrida de dois cavalos. As bombas de barreira ajustável usam semicondutores tradicionais e têm a vantagem de velocidade, enquanto a catraca híbrida utiliza supercondutividade e tem a vantagem de muitas delas poderem ser colocadas em paralelo. Bombas metálicas tradicionais, pensado que não vale a pena perseguir, receberam um novo sopro de vida ao fabricá-los com o supermaterial mais famoso do mundo - o grafeno.

SEPs metálicos anteriores feitos de alumínio são muito precisos, mas bombeia elétrons muito lentamente para fazer um padrão de corrente prático. A estrutura bidimensional semimetálica única do grafeno tem as propriedades certas para permitir que os elétrons entrem e saiam do ponto quântico muito rapidamente, criando um fluxo de elétrons rápido o suficiente - na frequência próxima a gigahertz - para criar um padrão atual. O calcanhar de Achillies das bombas metálicas, velocidade de bombeamento lenta, foi assim superado explorando as propriedades únicas do grafeno.

O cientista do NPL e Cambridge ainda precisa otimizar o material e fazer medições mais precisas, mas o artigo de hoje marca um grande passo na direção do uso do grafeno para redefinir o ampere.

A realização do ampere é atualmente derivada indiretamente da resistência ou tensão, que pode ser realizado separadamente usando o efeito Hall quântico e o efeito Josephson. Uma definição fundamental do ampere permitiria uma compreensão direta que os Institutos Nacionais de Medição em todo o mundo poderiam adotar. Isso encurtaria a cadeia de calibração de equipamentos de medição de corrente, economizando tempo e dinheiro para as indústrias que faturam por eletricidade e usam radiação ionizante para o tratamento do câncer.

Atual, tensão e resistência são diretamente correlacionadas. Como medimos a resistência e a voltagem com base nas constantes fundamentais - carga do elétron e constante de Planck - ser capaz de medir a corrente também nos permitiria confirmar a universalidade dessas constantes nas quais muitas medições precisas dependem.

O grafeno não é a última palavra na criação de um padrão de ampere. NPL e outros estão investigando vários métodos de definição de corrente com base na carga do elétron. Mas o artigo de hoje sugere que os SEPs de grafeno podem conter a resposta. Também, qualquer redefinição terá que esperar até que o Quilograma seja redefinido. Esta definição, devido a ser decidido em breve, fixará o valor da cobrança eletrônica, do qual qualquer definição de ampere baseada em elétrons dependerá.

O artigo de hoje também terá implicações importantes além da medição. SEPs precisos operando em alta frequência e precisão podem ser usados ​​para fazer os elétrons colidirem e formarem pares de elétrons emaranhados. Acredita-se que o emaranhamento seja um recurso fundamental para a computação quântica, e para responder a questões fundamentais em mecânica quântica.

Malcolm Connolly, um associado de pesquisa baseado no grupo de Física de Semicondutores em Cambridge, diz:"Este artigo descreve como produzimos com sucesso a primeira bomba de um elétron de grafeno. Temos trabalho a fazer antes de usar esta pesquisa para redefinir o ampere, mas este é um passo importante em direção a esse objetivo. Mostramos que o grafeno supera outros materiais usados ​​para fazer este estilo de SEP. É robusto, mais fácil de produzir, e opera em frequência mais alta. O grafeno está constantemente revelando novas aplicações interessantes e conforme nossa compreensão do material avança rapidamente, parecemos capazes de fazer mais e mais com isso. "