Una nueva innovación conjunta del Laboratorio Nacional de Física (NPL) y la Universidad de Cambridge podría allanar el camino para redefinir el amperio en términos de constantes fundamentales de la física. La primera bomba de un solo electrón de grafeno (SEP) del mundo, descrito en un artículo de hoy en Nanotecnología de la naturaleza , proporciona la velocidad de flujo de electrones necesaria para crear un nuevo estándar de corriente eléctrica basado en la carga de electrones.

El sistema internacional de unidades (SI) comprende siete unidades básicas (el metro, kilogramo, segundo, Kelvin, amperio, mole y candela). Idealmente, estos deberían ser estables en el tiempo y reproducibles universalmente. Esto requiere definiciones basadas en constantes fundamentales de la naturaleza que son las mismas dondequiera que las mida.

La actual definición del amperio, sin embargo, es vulnerable a la deriva y la inestabilidad. Esto no es suficiente para satisfacer las necesidades de precisión de las mediciones eléctricas presentes y ciertamente futuras. La máxima autoridad de medición mundial, la Conférence Générale des Poids et Mesures, ha propuesto que el amperio se vuelva a definir en términos de carga de electrones.

El pionero en esta carrera por redefinir el amperio es la bomba de un solo electrón (SEP). Los SEP crean un flujo de electrones individuales enviándolos a un punto cuántico, un bolígrafo que contiene partículas, y emitiéndolos uno a la vez y a una velocidad bien definida. El artículo publicado hoy describe cómo se ha producido y caracterizado con éxito un SEP de grafeno por primera vez, y confirma que sus propiedades se adaptan muy bien a esta aplicación.

Un buen SEP bombea precisamente un electrón a la vez para garantizar la precisión, y los bombea rápidamente para generar una corriente suficientemente grande. Hasta ahora, el desarrollo de una bomba de electrones práctica ha sido una carrera de dos caballos. Las bombas de barrera sintonizables utilizan semiconductores tradicionales y tienen la ventaja de la velocidad, mientras que el torniquete híbrido utiliza superconductividad y tiene la ventaja de que muchos pueden colocarse en paralelo. Bombas metálicas tradicionales, se cree que no vale la pena perseguirlo, se les ha dado una nueva vida al fabricarlos con el supermaterial más famoso del mundo:el grafeno.

Los SEP metálicos anteriores hechos de aluminio son muy precisos, pero bombea electrones demasiado lentamente para hacer un estándar de corriente práctico. La estructura bidimensional semimetálica única del grafeno tiene las propiedades adecuadas para permitir que los electrones entren y salgan del punto cuántico muy rápidamente. creando un flujo de electrones lo suficientemente rápido, a una frecuencia cercana a los gigahercios, para crear un estándar actual. El talón de Achillies de las bombas metálicas, velocidad de bombeo lenta, por lo tanto, se ha superado mediante la explotación de las propiedades únicas del grafeno.

El científico de NPL y Cambridge todavía necesita optimizar el material y realizar mediciones más precisas. pero el artículo de hoy marca un gran paso adelante en el camino hacia el uso del grafeno para redefinir el amperio.

La realización del amperio se deriva actualmente indirectamente de la resistencia o el voltaje, que se puede realizar por separado utilizando el efecto Hall cuántico y el efecto Josephson. Una definición fundamental del amperio permitiría una comprensión directa que podrían adoptar los Institutos Nacionales de Medición de todo el mundo. Esto acortaría la cadena para calibrar equipos de medición de corriente, ahorrando tiempo y dinero para las industrias que facturan la electricidad y utilizan radiaciones ionizantes para el tratamiento del cáncer.

Actual, el voltaje y la resistencia están directamente relacionados. Debido a que medimos la resistencia y el voltaje en función de constantes fundamentales (carga de electrones y constante de Planck), poder medir la corriente también nos permitiría confirmar la universalidad de estas constantes en las que se basan muchas mediciones precisas.

El grafeno no es la última palabra en la creación de un estándar de amperios. NPL y otros están investigando varios métodos para definir la corriente basándose en la carga de electrones. Pero el artículo de hoy sugiere que los SEP de grafeno podrían tener la respuesta. También, cualquier redefinición tendrá que esperar hasta que se haya redefinido el kilogramo. Esta definición, que se decidirá pronto, fijará el valor de la carga electrónica, de lo que dependerá cualquier definición del amperio basada en electrones.

El artículo de hoy también tendrá importantes implicaciones más allá de la medición. Se pueden utilizar SEP precisos que operan a alta frecuencia y precisión para hacer que los electrones colisionen y formen pares de electrones entrelazados. Se cree que el entrelazamiento es un recurso fundamental para la computación cuántica, y para responder preguntas fundamentales en mecánica cuántica.

Malcolm Connolly, investigador asociado del grupo de Física de Semiconductores de Cambridge, dice:"Este documento describe cómo hemos producido con éxito la primera bomba de grafeno de un solo electrón. Tenemos trabajo por hacer antes de que podamos utilizar esta investigación para redefinir el amperio, pero este es un gran paso hacia ese objetivo. Hemos demostrado que el grafeno supera a otros materiales utilizados para hacer este estilo de SEP. Es robusto, más fácil de producir, y opera a mayor frecuencia. El grafeno revela constantemente nuevas y emocionantes aplicaciones y, a medida que nuestra comprensión del material avanza rápidamente, parece que podemos hacer más y más con él ".