28/11/2016
Door Ad Spijkers
Tot 2018 willen wetenschappers alle natuurkundige basiseenheden op één solide onveranderlijk fundament plaatsen: de natuurconstanten. Na de meter en seconde moeten de kelvin (K), kilogram (kg), mol en ampère (A) volgen.
De huidige definitie van de ampère is gebaseerd op een hypothetische testopstelling die onder andere twee oneindig lange geleiders omvat. In deze opstelling zou een ampère een nauwkeurig vastgelegde kracht opwekken. De definitie is nauw verweven met de massa, wat natuurkundigen op grond van de instabiliteit van de internationale oerkilogram al lang dwars zit.
Eén elektron tegelijk
Om voor de ampère de sprong naar het niveau van de natuurconstante mogelijk te maken, tellen fysici de elektronen die in een bepaalde tijdseenheid door een slechts enkele nanometers brede geleider stromen.
Dat stelt als voorwaarde dat ze de elektronenstroom kunnen manipuleren, wat mogelijk is met behulp van een afzonderlijke elektronen pomp. Deze pompt één elektron quasi door een bergketen heen, van het ene dal naar het andere. Door de elektronen die in het dal aankomen te tellen, is de elementaire lading te bepalen.
De pompen leveren zeer kleine stroomsterkten die moeilijk te meten zijn. Bovendien ontstaan bij het transport van de elektronen statische velden, bijvoorbeeld wanneer een elektron terugvalt in zijn uitgangspositie of als twee elektronen naar hetzelfde dal worden gepompt.
Voor de pompfout werd al een oplossing ontwikkeld en met langzame pompen gedemonstreerd. De fysici schakelen meer pompen achter elkaar, en tussen de pompen herkennen speciale detectoren of te veel of te weinig elektronen het dal verlaten. Op deze manier kunnen fouten nog tijdens het pompen worden gecorrigeerd.
Ampère nauwkeurig meten
Het is de wetenschappers aan de Physikalisch-Technische Bundesamt door innovatieve techniek gelukt ook de meettechnische uitdaging te overwinnen. Dankzij een nieuw soort versterker kunnen de onderzoekers de kleine stroom zo'n duizend keer versterken. In combinatie met twee andere quantummetrologische methoden is het dan mogelijk kleine stroomsterkten met ongekende nauwkeurigheid te meten.
Met hun werk hebben de fysici aangetoond dat de ampère met behulp van gecontroleerd afzonderlijke atomen transport nauwkeuriger is te bepalen dan de klassieke definitie van de ampère mogelijk maakt. De afzonderlijke elektronen pomp werd weliswaar nog zonder correctie gebruikt, maar door de meting weten ze dat de fouten zo klein zijn, dat de correctiemethode ook met snelle pompen moet functioneren.
Omdat de nieuwe definitie maar tot zeer kleine veranderingen bij de elektrische eenheden leidt, zal de normale man niets merken van de revisie van het SI-stelsel. Voor bijvoorbeeld de micro- en nanotechniek en de medische en milieutechniek maakt de nieuwe ampère echter een duidelijk nauwkeuriger kalibratie van meetinstrumenten mogelijk.
De foto toont links een halfgeleider afzonderlijke elektronen stroombron (pomp) die is aangesloten op de zeer nauwkeurige stroom-spanningsomzetter (Ultrastable Low-noise Current Amplifier, rechts). (foto: PTB)