微型设备实现单次泵浦单个电子

物理学家终于可以摆脱对安培繁琐和不准确的定义了。这是来自德国学者声明，他们通过计算沿着微电线的单电子进行了电流的测量。研究人员说，他们的技术将使得一些不同学科的科学家更好地测量微小电流。

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　　对于安培定义修改的这项举动是对SI单位制的一次更为彻底检修的一部分。按照设想，所有七个基本单位，安培，秒，米，千克，开尔文，摩尔和坎德拉，都是固定不变的自然常数。特别是，科学家们渴望重新定义千克，而目前这一定义是基于位于巴黎的一块铂铱合金的慢慢脱落的原子的质量来测定的。

　　这部分是切断其与千克之间的关系，而学者正热衷于重新定义电流单位。目前，一安培被定义为电流在两个放置在一米外的真空中的狭窄的、无限长的平行导体内时，每米会产生一个为2 ×10-7 N的力。这一提法存在一个问题，因为它意味着安培的定义是与千克相关系的（以及米和秒），因为力等于质量乘以加速度。此外，没有什么可以无限长，所以这个要求必须是某种程度来近似。

　　类晶体管装置

　　这个新的工作是由Frank Hohls和他的同事们在德国布伦瑞克国家计量研究所（PTB）进行的，其研究目标是根据一定（足够）数量单电子在单位时间内通过导体通道的情况来定义安培。这一建议的核心是一个“单电子泵浦”，即一个类似晶体管的设备，当由一个栅极电压启动时，只发送单个电子的结构。而其电压振荡也许达到每秒几十亿次，那么该设备就会产生足够大的电流驱动一个安培计，从而能够探明该仪器的精确度。

　　该研究小组利用量子点制作单电子泵浦，亚微米大小的导电区蚀刻在半导体的衬底上。并在千分之一开尔文的温度下进行泵浦操作，他们施加大约0.5 GHz的栅极电压，然后在每个点利用固定电压建立时变势阱，然后再简单地捕获单个电子。为了建立该设备的准确性，研究人员使用专门开发的放大器，将流经它们的电流转换成电压，并由经过利用经过另外两个量子现象量子霍尔效应和约瑟夫逊效应校准的电压计进行测量。

　　研究人员能够测量通过泵浦的电流的精度达到百万分之0.16。这个结果稍微比他们去年更早实现的测量版本好一些，这也与现在使用的基于力的对安培定义的百万分之0.2的精度相匹配。新的测量也做得更快，只需要21个小时，而不是一年前的几天时间。“本实验使用的测量小电流的测量技术是先进技术的代表，”专家组成员hansjöRG Scherer说。

　　根据Scherer说明，他还领导研究院团队进行了新的放大器的设计，而这种利用泵浦实现的更精确的测量在许多方面将被证明是有用的。其中电离室和计数气溶胶粒子在空气中的放射性水平的测定就是其中一个例子。

　　Ian Mills，是英国雷丁大学的计量学专家，他称赞在德国布伦瑞克国家计量研究所进行的这项电子计数研究是“有价值的、优秀的作品”。但他认为，通过简单的利用现在可获得的更为精确的电子电荷值可以就可以对按安培取得一个更好的定义，这是基于其他测量，包括的精细结构常数。

　　该安培值的精确度大约是十亿分之20他说，最有可能使得安培的新定义加以应用的，应该是通过国际度量大会上的批准通过，该大会将有权对SI体系的变化进行授权。“我认为电子计数实验是迷人的，”他说，“但他们还没有足够的精确度。”

　　位于巴黎的国家计量测试实验室的François Piquemal，提供了一个稍微不同的观点，他认为电子计数是以对安培的一种在实践中实现的方法，而不是定义它。他认为，单电子泵最适合于测量精确度达到毫微安的电流，而另一种方法，涉及通过欧姆定律、量子霍尔和约瑟夫森标准相结合是对应大电流最好的方式。“在我看来，对于未来安培的实际定义来说，这两种方法是互补，”他说。

　　本研究的相关论文已经发表在《计量学（Metrologia）》杂志上。