Một giải pháp mới định nghĩa lại đơn vị ampere

Máy bơm graphene electron độc thân đầu tiên trên thế giới vừa được chế tạo bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm vật lí quốc gia Anh quốc (NPL) và Phòng thí nghiệm Cavendish ở Đại học Cambridge. Dụng cụ có thể được sử dụng để định nghĩa lại đơn vị chuẩn ampere của dòng điện theo điện tích electron – một hằng số cơ bản của tự nhiên.

Hệ đơn vị quốc tế (SI) gồm bảy đơn vị cơ bản, bao gồm mét, kilogram, giây, kelvin, ampere, mol và candela. Ampere, volt và ohm là ba đơn vị cơ bản của điện học.

Mặc dù các nhà vật lí đã đi tới những phương pháp hiện đại để biểu diễn volt và ohm (tương ứng qua các phép đo điện áp Josephson và điện trở Hall lượng tử), nhưng không có cái tương đương như vậy cho ampere. Thật vậy, ngày nay, ampere được định nghĩa là dòng điện mà khi chạy trong hai dây dẫn song song cách nhau 1 m thì tác dụng một lực nhất định lên nhau. Việc triển khai trực tiếp một định nghĩa vĩ mô như thế của dòng điện là hết sức khó khăn về mặt thực nghiệm, và độ chính xác của kết quả còn tùy thuộc vào những đơn vị cơ bản khác, ví dụ như kilogram, đơn vị biến thiên theo thời gian.

Chuyển sang SEP

Trên lí tưởng, một định nghĩa mới của ampere sẽ được xây dựng trên một nguồn phát cực kì chính xác của dòng điện, có khả năng phân phối mỗi lượt một electron. Một máy bơm electron độc thân (SEP) có thể lí tưởng ở phương diện này vì nó tạo ra một dòng gồm từng electron một bằng cách đưa thoi chúng vào một chấm lượng tử và làm phát ra chúng mỗi lượt một electron. Một SEP tốt còn bơm electron thật nhanh, cho nên tạo ra một dòng điện đủ lớn.

Cho đến gần đây, hai loại SEP đang tỏ ra có nhiều hứa hẹn: máy bơm rào chỉnh được làm bằng chất bán dẫn, chúng hoạt động nhanh, và cái gọi là cửa quay lai làm bằng chất siêu dẫn, chúng có thể lắp song song để tạo ra một dòng điện lớn hơn. Mặc dù một loại máy bơm thứ ba, chính xác nhất, thường làm bằng các “đảo” kim loại quá chậm để tạo ra một chuẩn dòng điện thực tế, nhưng các nhà nghiên cứu người Anh nay đã cải tiến hiệu suất của nó bằng cách chế tạo nó bằng graphene, một chất á kim. Graphene là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử có cấu trúc mạng lưới kiểu tổ ong.

Máy bơm electron

Máy bơm electron làm bằng graphene hoạt động nhanh gấp 10 lần so với máy bơm tương tự làm bằng chất liệu 3D bình thường và có thể dùng để tạo ra những dòng điện lớn hơn. Ảnh: M Connolly)

Dòng electron đạt tới tần số gigahertz

“Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy graphene thật lí tưởng để bơm những dòng điện lớn và cấu trúc tinh thể 2D của nó chính là cái cần thiết để làm cho các electron đi qua SEP thật nhanh,” phát biểu của thành viên nhóm nghiên cứu, Malcolm Connolly. Dòng electron có thể đạt tới tần số gần ngưỡng gigahertz, rất gần với cái cần thiết để tạo ra một chuẩn dòng điện.

Đội nghiên cứu tại Cambridge bắt đầu với việc bóc một lớp graphene là một miếng graphite bằng kĩ thuật băng dính. Sau đó, các nhà nghiên cứu tạo ra cấu trúc SEP bằng cách mạ lên một số vùng của tấm graphene đó một lớp mặt nạ polymer và bắn một làn “đạn” nguyên tử vào chất liệu để “đá” graphene ra khỏi những chỗ để trần.

Đội nghiên cứu cho biết họ vẫn cần tối ưu hóa SEP của mình và thực hiện những phép đo dòng điện chính xác hơn sử dụng trang thiết bị chính xác cao của NPL.

Khép kín “tam giác đạc lượng tử”

Nếu nó hoạt động đủ chính xác, thì SEP còn có thể giúp khép kín “tam giác đạc lượng tử” liên hệ dòng điện, điện áp và điện trở. Điện áp có thể đo bằng hiệu ứng Josephson xoay chiều, còn điện trở có thể liên hệ qua hiệu ứng Hall lượng tử. Cả hai liên hệ này đều bao hàm hai hằng số cơ bản – hằng số Planck, h, và điện tích electron, e. Một máy bơm đo dòng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu liên hệ trực tiếp dòng điện với tần số, và từ đó kiểm tra xem eh có mang tính vạn vật như chúng ta nghĩ hay không.

Ngoài việc định nghĩa lại ampere, máy bơm trên còn chứng minh rằng các điện tích độc thân trong các chấm lượng tử graphene có thể được xử lí ở tần số cao, đó là một bước quan trọng hướng tới xử lí thông tin lượng tử sử dụng spin electron trong graphene.

Nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Các bài khác


Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 96)
04/09/2020
Khám phá Hải Vương tinh 1846 John Couch Adams (1819–1892), Urbain Jean Joseph Le Verrier (1811–1877), Johann Gottfried Galle (1812–1910) “Bài
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 95)
04/09/2020
Các định luật Kirchhoff về mạch điện 1845 Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) Khi vợ của Gustav Kirchhoff, Clara, qua đời, nhà vật

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com