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» » » El grafeno se une a la carrera para la redefinición del amperio

Referencia: Eurek.Alert.org .
por David Lewis, 12 mayo 2013

Una nueva innovación conjunta entre el Laboratorio Nacional de Física (NPL) y la Universidad de Cambridge podría facilitar el camino para la redefinición de los amperios en los términos de constantes fundamentales de la física. La primera bomba de un solo electrón de grafeno del mundo (SEP), descrito en un documento en Nature Nanotechnology, proporciona la velocidad de flujo de electrones necesaria para crear un nuevo estándar para la corriente eléctrica basada en la carga del electrón.

El sistema internacional de unidades (SI) está compuesto por siete unidades de base (metro, kilogramo, segundo, Kelvin, amperio, mol y candela). Lo ideal es que sean estables en el tiempo y universalmente reproducibles. Esto requiere de definiciones basadas en las constantes fundamentales de la naturaleza que son las mismas dondequiera que se midan.

La presente definición de Amperio, sin embargo, es vulnerable a la deriva y la inestabilidad. Esto no es suficiente para satisfacer las necesidades de medición eléctrica del presente ni tampoco las del futuro. La autoridad más alta de medidas global, la Conférence Générale des Poids et Mesures (Conferencia General de Pesos y Medidas), se ha propuesto que el amperio puede redefinirse en función de la carga del electrón.

El favorito en esta carrera por redefinir el amperio es una bomba de un solo electrón (SEP). Los SEP crean un flujo de electrones individuales disparados hacia un punto cuántico, una especie de estanco de partículas, y emitir uno cada vez y a una velocidad bien definida. El artículo publicado describe cómo un SEP de grafeno ha sido, por primera vez, satisfactoriamente producido y caracterizado, y confirma que sus propiedades son extremadamente adecuadas para esta aplicación.

Un buen SEP bombea precisamente un electrón cada vez para asegurar la precisión, y los bombea con rapidez para generar una corriente suficientemente grande. Hasta ahora, el desarrollo de una bomba de electrones práctica ha sido una carrera de dos caballos. Un bombeo de barrera ajustable usa semiconductores tradicionales y tienen la ventaja de la velocidad, mientras que el torniquete híbrido utiliza la superconductividad y tiene la ventaja de que se pueden poner muchos en paralelo. A las bombas metálicas tradicionales se les ha dado una nueva oportunidad de vida, fabricándolas con el más famoso super-material del mundo, el grafeno.

Los SEP metálicos de antes, hechos de aluminio, son muy precisos, pero los electrones bombeados demasiado lentos para hacer una práctica estándar actual. La estructura bidimensional semimetálica única del grafeno tiene justo las propiedades para dejar a los electrones dentro o que salgan del punto cuántico rápidamente, creando el suficiente flujo de electrones rápidos (cercano a un gigahercio de frecuencia) para crear un estándar actual. El talón Aquiles de las bombas metálicas, la lenta velocidad de bombeo, por lo tanto, se ha superado mediante la explotación de las propiedades únicas de grafeno.

Los científicos de NPL y Cambridge todavía necesitan optimizar el material y hacer mediciones más precisas, pero el artículo publicado marca un paso importante en el camino hacia el uso del grafeno para redefinir el amperio.

En la actualidad el amperio se deriva indirectamente a partir de la resistencia o voltaje, que puede realizarse por separado utilizando el efecto Hall cuántico y el efecto Josephson. La definición fundamental del amperio permitirá una comprensión directa que podría adoptar los Institutos Nacionales de Medición en todo el mundo. Esto podría acortar la cadena de calibración de los equipos actuales de medición, ahorrando tiempo y dinero para las industrias de la facturación de electricidad y el uso de las radiaciones ionizantes para el tratamiento del cáncer.

La corriente, el voltaje y la resistencia están directamente correlacionados, ya que medimos la resistencia y la voltaje sobre la base de constantes fundamentales, la carga del electrón y la constante de Planck, siendo capaces de medir la corriente también nos permitirá confirmar la universalidad de estas constantes de la que dependen muchas mediciones precisas.

El grafeno no es la última palabra en la creación de un estándar de amperio. La NPL y otros están investigando varios métodos de definición, basados en la carga del electrón. Sin embargo, el artículo publicado sugiere que los SEP de grafeno podrían ser la respuesta. Además, cualquier redefinición tendrá que esperar hasta que el kilogramo sea redefinido. Esta definición, que debe ser resuelta pronto, fijará el valor de la carga electrónica, en la que cualquier definición basada en el electrón dependerá del amperio.

Según el documento, también tendrá importantes implicaciones más allá de la medición. La precisión de los SEP operan en alta frecuencia y pueden ser utilizados para hacer que los electrones choquen y formen pares de electrones. El entrelazamiento se cree que es un recurso fundamental para la computación cuántica y para responder a las preguntas fundamentales de la mecánica cuántica.

Malcolm Connolly, un investigador asociado residente en el grupo de Física de Semiconductores en Cambridge, dice: "En este trabajo se describe la forma de producir con éxito la primera bomba de un único electrón de grafeno. Podemos utilizar esta investigación para redefinir el amperio, y esto es un gran paso hacia esa meta. Hemos demostrado que el grafeno supera a otros materiales utilizados para hacer este estilo de SEP. Es robusto, fácil de producir, y opera a una frecuencia altísima. El grafeno está revelando constantemente nuevas aplicaciones y conforme nuestro comprensión de los materiales avanza rápidamente, parece que nos hace capaces de hacer cada vez más cosas con él."


- Este trabajo fue financiado por el Engineering and Physical Sciences Research Council/National Physical Laboratory (NPL) Joint Postdoctoral Partnership (Grant No: EP/I029575/1 ).
- Fuente: National Physical Laboratory.
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