Une nouvelle innovation conjointe du National Physical Laboratory (NPL) et de l'Université de Cambridge pourrait ouvrir la voie à une redéfinition de l'ampère en termes de constantes fondamentales de la physique. La première pompe monoélectronique au graphène (SEP) au monde, décrit dans un article aujourd'hui en Nature Nanotechnologie , fournit la vitesse du flux d'électrons nécessaire pour créer une nouvelle norme pour le courant électrique basée sur la charge des électrons.

Le système international d'unités (SI) comprend sept unités de base (le mètre, kilogramme, seconde, Kelvin, ampère, taupe et candela). Idéalement, ceux-ci devraient être stables dans le temps et universellement reproductibles. Cela nécessite des définitions basées sur des constantes fondamentales de la nature qui sont les mêmes partout où vous les mesurez.

La définition actuelle de l'Ampère, cependant, est vulnérable à la dérive et à l'instabilité. Ceci n'est pas suffisant pour répondre aux besoins de précision des mesures électriques actuelles et certainement futures. La plus haute autorité mondiale de mesure, la Conférence Générale des Poids et Mesures, a proposé que l'ampère soit redéfini en termes de charge électronique.

Le favori dans cette course à la redéfinition de l'ampère est la pompe à électron unique (SEP). Les SEP créent un flux d'électrons individuels en les transportant dans un point quantique - un stylo contenant des particules - et en les émettant un à la fois et à un rythme bien défini. L'article publié aujourd'hui décrit comment un SEP de graphène a été produit et caractérisé avec succès pour la première fois, et confirme que ses propriétés sont extrêmement bien adaptées à cette application.

Un bon SEP pompe précisément un électron à la fois pour assurer la précision, et les pompe rapidement pour générer un courant suffisamment important. Jusqu'à présent, le développement d'une pompe à électrons pratique a été une course à deux chevaux. Les pompes à barrière accordable utilisent des semi-conducteurs traditionnels et ont l'avantage de la vitesse, tandis que le tourniquet hybride utilise la supraconductivité et a l'avantage que beaucoup peuvent être mis en parallèle. Pompes métalliques traditionnelles, considéré comme ne valant pas la peine d'être poursuivi, ont reçu une nouvelle vie en les fabriquant à partir du super-matériau le plus célèbre au monde - le graphène.

Les précédents SEP métalliques en aluminium sont très précis, mais pomper les électrons trop lentement pour faire une norme actuelle pratique. La structure bidimensionnelle semi-métallique unique du graphène a juste les bonnes propriétés pour laisser les électrons entrer et sortir très rapidement de la boîte quantique, créant un flux d'électrons suffisamment rapide - à une fréquence proche du gigahertz - pour créer un standard actuel. Le talon d'Achille des escarpins métallisés, vitesse de pompage lente, a ainsi été surmonté en exploitant les propriétés uniques du graphène.

Le scientifique du NPL et de Cambridge doit encore optimiser le matériau et effectuer des mesures plus précises, mais l'article d'aujourd'hui marque un grand pas en avant sur la voie de l'utilisation du graphène pour redéfinir l'ampère.

La réalisation de l'ampère est actuellement dérivée indirectement de la résistance ou de la tension, qui peut être réalisé séparément en utilisant l'effet Hall quantique et l'effet Josephson. Une définition fondamentale de l'ampère permettrait une prise de conscience directe que les instituts nationaux de mesure du monde entier pourraient adopter. Cela raccourcirait la chaîne d'étalonnage des équipements de mesure de courant, gain de temps et d'argent pour les industries qui facturent l'électricité et utilisent les rayonnements ionisants pour le traitement du cancer.

Courant, la tension et la résistance sont directement corrélées. Parce que nous mesurons la résistance et la tension à partir de constantes fondamentales – charge électronique et constante de Planck – pouvoir mesurer le courant nous permettrait également de confirmer l'universalité de ces constantes sur lesquelles reposent de nombreuses mesures précises.

Le graphène n'est pas le dernier mot dans la création d'une norme d'ampère. Le NPL et d'autres étudient diverses méthodes de définition du courant basées sur la charge électronique. Mais l'article d'aujourd'hui suggère que les SEP de graphène pourraient détenir la réponse. Aussi, toute redéfinition devra attendre que le Kilogramme ait été redéfini. Cette définition, devrait être décidé prochainement, fixera la valeur de la charge électronique, dont dépendra toute définition électronique de l'ampère.

L'article d'aujourd'hui aura également des implications importantes au-delà de la mesure. Des SEP précis fonctionnant à haute fréquence et avec précision peuvent être utilisés pour faire entrer des électrons en collision et former des paires d'électrons enchevêtrés. L'intrication est considérée comme une ressource fondamentale pour l'informatique quantique, et pour répondre à des questions fondamentales en mécanique quantique.

Malcolm Connolly, un associé de recherche basé dans le groupe de physique des semi-conducteurs à Cambridge, déclare : « Cet article décrit comment nous avons réussi à produire la première pompe monoélectronique au graphène. Nous avons du travail à faire avant de pouvoir utiliser cette recherche pour redéfinir l'ampère, mais c'est un pas important vers cet objectif. Nous avons montré que le graphène surpasse les autres matériaux utilisés pour fabriquer ce style de SEP. Il est robuste, plus facile à produire, et fonctionne à une fréquence plus élevée. Le graphène révèle constamment de nouvelles applications passionnantes et à mesure que notre compréhension du matériau progresse rapidement, nous semblons capables de faire de plus en plus avec.