Il grafene ridefinisce l’ampere

CAMBRIDGE – Una innovazione del National Physical Laboratory (NPL) dell’Università di Cambridge sembra condurre ad una ridefinizione dell’ampere nei termini delle costanti fondamentali della fisica. Un esperimento con il grafene descritto nella rivista Nature Nanotechnology fornisce la velocità del flusso di elettroni necessari per creare un nuovo standard per la corrente elettrica in base alla loro carica Nell’immagine, la struttura del grafene. 

Crediti: University of Manchester

Il Sistema Internazionale delle Unità di Misura comprende sette unità di base, tra cui l’ampere: almeno idealmente, si tratta di unità stabili nel tempo ed universalmente riproducibili. Queste caratteristiche richiedono definizioni basate sulle costanti fondamentali in natura che, come è noto, sono invarianti. L’attuale definizione dell’ampere non condivide queste proprietà in quanto è instabile: la massima autorità in termini di misura, la Conférence Générale des Poids et Mesures, ha proposto una ridefinizione dell’ampere nei termini della carica dell’elettrone.

La pompa a singolo elettrone (SEP), descritta nell’articolo di cui ora parliamo, è lo strumento che consente di raggiungere lo scopo. La SEP genera un flusso di singoli elettroni che, attraversando un quantum dot (o punto quantico), vengono emessi uno alla volta e con un ritmo ben definito (che genera una corrente sufficientemente potente). L’uso del grafene è una garanzia dell’attendibilità e applicabilità di questo metodo: le pompe metalliche tradizionali, infatti, pur usando semiconduttori tradizionali ed avendo il vantaggio di velocità, non sono altrettanto veloci a sparare gli elettroni. 

La struttura semimetallica e bidimensionale del grafene ha proprio le caratteristiche giuste per sparare gli elettroni fuori dal quantum dot molto rapidamente, creando un flusso di elettroni abbastanza veloce. Ciò significa che, sfruttando le proprietà uniche del grafene, è stato possibile superare il tallone d’achille delle pompe metalliche, la lentezza nel pompaggio. Gli scienziati di  Cambridge hanno ancora bisogno di tempo per ottimizzare il materiale e fare misurazioni più accurate, ma l’articolo segna un importante passo avanti nella (lunga) strada verso l’utilizzo del grafene per ridefinire l’ampere.

L’ampere è attualmente di derivazione indiretta; si ottiene dalla resistenza o dal voltaggio, che possono essere realizzate separatamente utilizzando l’effetto quantistico Hall e l’effetto Josephson. Una definizione fondamentale dell’ampere consentirebbe una derivazione diretta, in modo da farne una misura utilizzabile in tutto il mondo. Corrente, tensione e resistenza sono direttamente correlate. Dato che la resistenza e la tensione si misurano sulla base di costanti fondamentali – la carica dell’elettrone e la costante di Planck – essere in grado di misurare con gli stessi criteri la corrente consentirebbe di confermare l’universalità di queste costanti su cui molte misure si affidano.

Il grafene non è l’ultima spiaggia nella creazione di uno standard universale per l’ampere. Più di un gruppo di ricerca sta studiando metodi alternativi per la definizione della corrente di base della carica dell’elettrone. Se la SEP di grafene fornirà la risposta non lo sappiamo ancora (servirebbe, ad esempio, anche una ridefinizione del chilogrammo, cosa che dovrebbe essere ottenuta a breve).  La creazione di questo strumento avrà anche importanti implicazioni oltre misura. SEP ad alta frequenza e precisione possono essere usati per creare stati entangled di elettroni utili nella computazione quantistica. Malcolm Connolly, docente di Fisica dei Semiconduttori a Cambridge, afferma che c’è ancora molto lavoro da fare prima di poter utilizzare questa ricerca per ridefinire l’ampere; resta il fatto che il grafene si conferma ancora una volta una fonte inesauribile di scoperte e progressi.