فیزیک‌دانان نهایتاً موفق شده‌اند تا از شرِّ تعریف سنگین و غیردقیق آمپر خلاص شوند. این ادعای پزوهش‌گران اندازه‌شناسی از کشور آلمان است که جریان الکتریکی را با شمارش تک الکترون‌های در حال حرکت در طول یک سیم میکروسکوپیکی اندازه گرفته‌اند. این پژوهش‌گران می‌گویند فناوری آن‌ها به دانش‌مندانِ تعدادی از رشته‌های مختلف این امکان را خواهد داد تا اندازه‌گیری‌های بهتری را در جریان‌های کوچک داشته باشند.

   حرکت به سوی نوسازی تعریف آمپر بخشی از اصلاحات اساسی و عمومی‌تر سیستم SI واحدها به حساب می‌آید. پیش بینی می‌شود که تمامی هفت واحد اساسی (آمپر، ثانیه، متر، کیلوگرم، کلوین، مول و کاندلا) به ثابت‌های غیرقابل تغییر طبیعت متصل شوند. بويژه دانش‌مندان مشتاق‌اند تا کیلوگرم را بازتعریف کنند که هم‌اکنون بر اساس جرم ایریدیوم-پتاتینیومی است که در پاریس نگه‌داری می‌شود و اتم‌های خود را آرام آرام از دست می‌دهد.

   اندازه شناسان علاقه‌مندند تا با جداسازی تعریف آمپر از کیلوگرم، واحد جریان الکتریکی را بازتعریف کنند. در حال حاضر یک آمپر به شکل جریان شارش یافته در دو رسانای موازی بی‌نهایت درازِ نازک تعریف می‌شود که به فاصله‌ی یک متر از هم در خلاء قرار گرفته‌اند که نیروی  نیوتن برای هر متر از طول دو رسانا ایجاد می‌کند. این فرمول‌بندی یک اشکال دارد، چون به این معنی است که آمپر بر حسب کیلوگرم (بعلاوه متر و ثانیه) تعریف شده و نیرو برابر جرم در شتاب است. علاوه بر آن چیزی نمی‌تواند تا بی‌نهایت درازا داشته باشد بنابراین این نیازمندی‌ها بایستی تا حدودی تقریب زده شوند.

قطعه‌ای شبیه ترانزیستور

   پژوهش اخیر توسط  فرانک هولز و همکارانش از موسسه‌ی ملی اندازه‌شناسی آلمان (PTB) در برانشویگ انجام شده و هدف آن تعریف آمپر بر حسب تعداد (زیاد) معینی از تک‌الکترون‌های گذرنده از یک کانال رسانا در واحد زمان است. در قلب این پیشنهاد، ساخت یک «پمپ تک‌الکترونی» وجود دارد؛ قطعه‌ای که شبیه ترانزیستور است و وقتی توسط یک ولتاژ گیت فعال می‌شود تنها یک الکترون انتقال می‌دهد. شاید با ولتاژ نوسان‌کننده چندین میلیون بار در ثانیه، این قطعه جریانی را تولید کند که برای کالیبره کردن یک آمپر به اندازه کافی بزرگ باشد. بنابراین با این کار می‌توان مشخص کرد که این ابراز تا چه اندازه دقیق است.

   این تیم پمپ‌های تک الکترونی را ساخته‌اند که متشکل از نقاط کوانتومی است؛ ناحیه‌هایی با اندازه میکرون که بر روی زیرلایه‌های نیم‌رسانا اچینگ می‌شوند. آنان با بکارگیری این پمپ‌ها در دماهای میلی‌کلوین، تقریباً یک ولتاژ گیت 0.5 گیگاهرتزی و ولتاژ ثابت و ثانویه‌ای را در طول هر نقطه‌ی کوانتومی اعمال کرده‌‌اند تا یک پتانسیل متغیر با زمان را برقرار کنند؛ کاری موجب می‌شود تا تک‌الکترون‌ها بخوبی و  در زمان کمتری گرفته و سپس خارج شوند. این پژوهش‌گران برای آنکه دقت قطعات‌شان را به اثبات برسانند از یک آمپلی‌فایر توسعه یافته‌ی ویژه استفاده کرده‌اند تا جریان گذرنده از آن را به ولتاژ تبدیل کند. این آمپلی‌فایر توسط یک ولت‌متر و با استفاده از دو پدیده‌ی کوانتومی دیگر (اثر هال کوانتومی و اثر جوزفسون) کالیبره شده است.

   پژوهش‌گران قادر بوده‌اند تا جریان انتقال‌یافته توسط پمپ‌ها را با دقت 0.16 قسمت در هر یک میلیون اندازه بگیرند. این تا حد بسیارکمی بهتر از چیزی است که آن‌ها با نسخه‌ی قبلی قطعه‌شان در سال گذشته بدست آورده‌اند که در آن، دقت اندازه‌گیری که می‌توانست با استفاده از تعریف برپایه‌ی نیروی آمپر انجام شود -0.2 قسمت در هر میلیون- تطابق داشت. اندازه‌گیری‌های جدید نیز بسیار سریع‌تر (که نیازمند ۲۱ ساعت‌اند بجای چندین روز که سال گذشته بکار رفته است) انجام شده‌اند. به گفته‌ی هانجورگ شرر (Hansjörg Scherer) از اعضای این تیم پژوهشی: «سیستم اندازه‌گیریِ استفاده شده در این آزمایش، اندازه‌شناسی جریان کوچک به‌روزی را به نمایش می‌گذارد.»

شمارش آئروسل

   براساس گفته‌ی شرر که PTB را برای طراحی این آمپلی‌فایر جدید رهبری کرده است، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر با استفاده از پمپ‌هایی که مفید بودن خود را در تعدادی از پژوهش‌ها به اثبات رسانده‌اند، ممکن خواهد بود. به بیان او، در میان آن‌ها می‌توان از تعیین سطح رادیواکتیویته‌ در اتاقک‌های یونش و ذرات شمارنده‌ی آئروسل در هوا نام برد.

آین میلز (Ian Mills) متخصص اندازه‌شناسی از دانشگاه ریدینگ در انگلستان، این «کار ارزشمند و فوق‌العاده» که بر روی الکترون در PTB انجام شده است را می‌ستاید. اما وی معتقد است یک تعریف بهتر از آمپر بسادگی با استفاده از مقدار بسیار دقیق بار الکترون که امروزه در دسترس است (که بر اساس اندازه‌گیری‌های دیگر شامل ثابت ساختار ریز بنا شده) بدست می‌آید. به گفته‌‌ی او، آن مقدار از آمپر، دقتی در حدود ۲۰ قسمت در یک میلیون دارد و احتمال بسیاری دارد تا در تعریف جدید آمپر مورد استفاده قرار گیرد و بایستی در کنفرانس عمومی اوزان و مقادیر مورد تایید قرار گیرد. وی می‌گوید: «بنظرم آزمایش‌های شمارنده‌ی الکترون، آزمایش‌های جذابی هستند اما هنوز به اندازه‌ی کافی دقیق نیستند تا در گردونه‌ی رقابت قرار گیرند».

فرانسوا پیکومال (François Piquemal) از آزمایشگاه ملی تست و اندازه‌شناسی (LNE) در پاریس، نگاه اندکی متفاوت دارد. وی استدلال می‌کند که شمارش الکترون راهی را برای تحقق آمپر - بجای تعریف آن - در عمل پیشنهاد می‌دهد. وی ادامه می‌دهد که پمپ‌های تک‌الکترونی برای اندازه‌گیری جریان‌هایی تا حدود یک نانوآمپر مفیدند درحالیکه رهیافت جایگزین (شامل ترکیبی از اثر هال و استانداردهای جوزفسون در طی قانون اهم) برای جریان‌های بزرگ‌تر بهتر‌اند. به گفته‌ی او: «بنظر من این دو روش در آینده‌ی عملیِ آمپر مکمل هم دیگر خواهند بود.»

این پژوهش در مقاله‌ای در مجله‌ی Metrologia به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

ادوین کارتلیج نویسنده‌ی علمی آزاد در رم است.

منبع:

Tiny device pumps out one electron at a time