Minuscolo dispositivo quantistico per ridefinire l’ampere
Nel corso degli ultimi decenni, il crescente bisogno di misurazioni ad elevata precisione e affidabili ha determinato uno spostamento verso standard basati sulle quantità fondamentali della natura. Nell’ambito del progetto SINHOPSI, finanziato dall’UE, ricercatori provenienti dall’Università di Cambridge, dal National Physical Laboratory, dall'Università di Aalto e dalla University of New South Wales hanno unito le forze per creare una nuova tecnologia quantistica che potrebbe rivelarsi necessaria per dare vita a un nuovo standard per la corrente elettrica basato sulle cariche dell’elettrone. Le dimostrazioni sperimentali hanno fatto progredire lo stato dell’arte sia della generazione precisa di corrente elettrica che del telerilevamento a singola carica. «I sistemi basati sulla quantistica sono riconosciuti come gli strumenti metrologici più stabili e affidabili, dato che possono essere fortemente connessi con costanti fondamentali attraverso la loro descrizione matematica», rileva il dottor Alessandro Rossi. Allontanarsi dagli artefatti fisici Il sistema internazionale di unità (SI) definisce sette quantità considerate come i mattoni fondamentali della fisica. Questo sistema si sta evolvendo e sta cambiando, dal momento che emergono nuove conoscenze e si presentano nuove esigenze di misurazione. «Ci troviamo al momento nel bel mezzo di una rivoluzione nel campo della metrologia, dove tutte e sette le unità di base (metro, chilogrammo, secondo, kelvin, ampere, mole e candela) saranno alla fine ancorate a costanti invariabili della natura», afferma il dottor Rossi. «Queste definizioni dovrebbero essere stabili nel tempo, riproducibili dovunque e non basate su oggetti che possono perdere integrità o modificare le loro caratteristiche nel tempo.» La maggior parte delle unità di base del SI hanno ora una chiara definizione fisica, proprio come il metro che è definito come la distanza percorsa dalla luce in un certo tempo, ma la definizione dell’ampere tende a essere instabile. Al momento, un ampere è definito come la corrente costante che scorre in due stretti conduttori paralleli infinitamente lunghi collocati a un metro di distanza nel vuoto e che produce una forza pari a 2×10–7 Newton tra loro per metro di lunghezza. «Questa formulazione, che risale a settant'anni fa, è tuttavia ingombrante, inaccurata e impossibile da porre in essere in un reale esperimento senza fare delle approssimazioni di compromesso», fa notare il dottor Rossi. Nuovo dispositivo simile a un transistor Per ridefinire l’ampere, gli scienziati hanno adesso adottato un nuovo approccio basato sulla fabbricazione di dispositivi elettronici quantici di dimensioni nanometriche e sul loro funzionamento a temperature vicine allo zero assoluto. Questi dispositivi sono chiamati pompe a singolo elettrone, dato che emettono precisamente un elettrone alla vota e promettono maggiore precisione e stabilità per la generazione di corrente elettrica rispetto a qualsiasi altro dispositivo. Questa tecnologia consentirà di elaborare una nuova definizione dell'ampere come corrente nella direzione del flusso di un numero specifico di elettroni al secondo. Il tipo più affidabile di questi dispositivi utilizza punti quantici definiti in modo elettrostatico, che sono piccole regioni di un materiale semiconduttore in cui singoli elettroni possono essere intrappolati e liberati a comando. Per fabbricare le pompe a singolo elettrone, gli scienziati di SINHOPSI hanno utilizzato nanotransistor di silicio che hanno un vantaggio innovativo rispetto alle tecnologie concorrenti. «L’originalità di questi dispositivi dipende dalla capacità di mettere a punto con cura le dimensioni del punto quantico e ciò comporta un notevole miglioramento in termini di precisione della corrente elettrica», spiega il dottor Rossi. SINHOPSI ha sviluppato e testato le pompe a singolo elettrone basate sulla nanoelettronica al silicio fra le più accurate ad oggi esistenti. In particolare, gli scienziati hanno riferito che questi dispositivi appena sviluppati possono generare una corrente di 0.16x10-9 ampere con un'accuratezza al livello di 0,27 parti per milione, tre volte più precisi rispetto a quelli che avevano stabilito il precedente record. «Se consideriamo ciò che questo significa al livello dei singoli elettroni, possiamo dire che ogni secondo riusciamo a isolare e trasferire 1 miliardo di elettroni con un errore di 270 elettroni o inferiore. Nessun altro sistema nanoelettronico è così veloce e preciso», fa notare il dottor Rossi. Conteggio dell’aerosol Oltre alle implicazioni di vasta portata derivanti dalla ridefinizione dell’unità ampere, la nuova pompa si potrebbe dimostrare utile in molti settori, inclusa la determinazione dei livelli di radioattività nelle camere a ionizzazione e il conteggio delle particelle di aerosol nell’aria. In entrambi i casi, le fonti della corrente stabile di riferimento, appena sviluppate e messe a punto in SINHOPSI, possono migliorare notevolmente la precisione e la disponibilità della capacità di calibrazione a bassa corrente.
Parole chiave
SINHOPSI, ampere, pompa a singolo elettrone, corrente elettrica, carica elettrone, punto quantico, meccanica quantistica, nanotransistor, silicio, conteggio aerosol
