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
Downlaod video thí nghiệm

Các bài khác


Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 11)
09/11/2018
Đầu năm 1982, tôi có viết một bài báo đề xuất rằng những khác biệt này phát sinh từ những thăng giáng lượng tử trong
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 10)
09/11/2018
Thế nhưng nhiều nhà khoa học không hài lòng với việc vũ trụ có một khởi đầu, bởi dường như nó ẩn ý rằng vật lí học
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 9)
09/11/2018
Chương 2 Vũ trụ đã ra đời như thế nào? Hamlet từng nói, “Tôi có thể bị mắc kẹt trong một vỏ hạt, và tôi tự xem mình
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 2)
07/11/2018
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Hình 1.1. Các chủ đề trong Chương 1 Trong chương này, bạn sẽ tìm thấy một tổng
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 1)
07/11/2018
GIỚI THIỆU  Bạn có biết trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence-AI) đang làm thay đổi thế giới của chúng ta nhanh hơn
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 8)
04/11/2018
Kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta khiến chúng ta nghĩ rằng mọi chuyện xảy ra phải có nguyên nhân do cái gì đó xảy ra trước
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 7)
04/11/2018
Một lĩnh vực còn lại mà tôn giáo ngày nay có thể quả quyết đó là nguồn gốc của vũ trụ, nhưng thậm chí ở đây khoa học
Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực kia? (Phần 3)
04/11/2018
Máy va chạm lỗ đen Tóm lại, lực hấp dẫn quá khác biệt với các anh em lực còn lại của nó nên người ta ngờ rằng nó

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

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