Des scientifiques financés par l'UE ont réussi à redéfinir l'ampère en termes de constantes fondamentales de la physique. Sur la base de la charge électronique, le dispositif microscopique nouvellement développé a été signalé comme la technique la plus précise pour effectuer des mesures de courants minuscules à ce jour.

Au cours des dernières décennies, le besoin de mesures de plus en plus précises et fiables a déterminé une évolution vers des normes basées sur des quantités fondamentales de la nature.

Dans le cadre du projet SINHOPSI financé par l'UE, chercheurs de l'Université de Cambridge, le National Physical Laboratory et Hitachi Ltd ont uni leurs forces pour créer une nouvelle technologie quantique essentielle à la création d'une nouvelle norme pour le courant électrique basée sur les charges d'électrons. Des démonstrations expérimentales ont fait progresser l'état de l'art de la génération précise de courant électrique et de la télédétection à charge unique.

« Les systèmes quantiques sont reconnus comme les outils métrologiques les plus stables et les plus fiables car ils peuvent être fortement liés aux constantes fondamentales grâce à leur description mathématique, " note le Dr Alessandro Rossi.

S'éloigner des artefacts physiques

Le système international d'unités (SI) définit sept quantités qui sont considérées comme les éléments constitutifs de la physique. Ce système évolue et change au fur et à mesure que de nouveaux besoins de connaissances et de mesures apparaissent. « Nous sommes actuellement en pleine révolution de la science métrologique, où les sept unités de base - le mètre, kilogramme, seconde, Kelvin, ampère, taupe et candela - seront finalement ancrés aux constantes invariables de la nature, " explique le Dr Rossi. " Ces définitions devraient être stables dans le temps, universellement reproductible et non basé sur des objets qui changent de forme, perdre son intégrité ou changer de caractéristiques au fil du temps."

La plupart des unités de base SI ont maintenant une définition physique claire, tout comme le mètre qui est défini par la distance parcourue par la lumière en un temps donné. Cependant, la définition de l'ampère est sujette à l'instabilité. À l'heure actuelle, un ampère est défini comme le courant constant circulant dans deux étroits, conducteurs parallèles infiniment longs placés à un mètre l'un de l'autre dans le vide qui produit une force égale à 2×10-7 Newtons entre eux par mètre de longueur. « Cette formulation du XIXe siècle est, cependant, lourd, imprécis et impossible à mettre en œuvre dans une expérience réelle sans faire des approximations compromettantes, " note le Dr Rossi.

Nouvel appareil semblable à un transistor

Pour redéfinir l'ampère, les scientifiques se sont maintenant tournés vers une nouvelle approche basée sur la fabrication de dispositifs électroniques quantiques de taille nanométrique et leur fonctionnement à des températures proches du zéro absolu. Ces appareils sont appelés pompes à électron unique (SEP) car ils émettent avec précision un électron à la fois et promettent une précision et une stabilité plus élevées pour la génération de courant électrique que tout autre appareil.

Le type le plus fiable de ces dispositifs utilise des points quantiques définis électrostatiquement, qui sont de petites régions d'un matériau semi-conducteur où des électrons individuels peuvent être piégés et libérés à volonté. Pour la fabrication du SEP, Les scientifiques du SINHOPSI ont utilisé des nanotransistors en silicium qui présentent un avantage de pointe par rapport aux technologies concurrentes. "La nouveauté de ces dispositifs repose sur la capacité d'affiner soigneusement la taille de la boîte quantique, ce qui entraîne une nette amélioration en termes de précision du courant électrique, " explique le Dr Rossi.

SINHOPSI a développé et testé les SEP les plus précis basés sur la nanoélectronique de silicium à ce jour. En particulier, les scientifiques ont rapporté que ces appareils nouvellement développés sont trois fois plus précis que ceux qui ont établi le précédent record du monde, tandis qu'ils maintiennent la précision à un niveau de trois parties par million. "Si nous considérons ce que cela signifie au niveau des électrons simples, on peut dire que chaque seconde, nous parvenons à piéger et à transférer 1 milliard d'électrons avec une erreur de 270 électrons ou moins. Aucun autre système électronique n'est aussi précis, " note le Dr Rossi.

Comptage des aérosols

Outre les implications de grande envergure découlant de la redéfinition de l'ampère, la nouvelle pompe pourrait s'avérer utile dans un certain nombre de domaines, notamment la détermination des niveaux de radioactivité dans les chambres d'ionisation et le comptage des particules d'aérosol dans l'air. Dans les deux cas, les nouvelles sources de courant de référence stables développées dans SINHOPSI peuvent considérablement améliorer la précision et la disponibilité de la capacité d'étalonnage à faible courant.