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 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 e và h 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
