Sähkövirta - ampeeri (A)

​Määritelmä: Ampeeri on sellainen ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa suorassa yhdensuuntaisessa, äärettömän pitkässä ja ohuessa johtimessa, joiden poikkileikkaus on ympyrä ja jotka ovat 1 metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aiheuttaa johtimien välille 2·10-7 newtonin voiman johtimen metriä kohti (9. CGPM, 1948).

Elektronimikroskooppikuva kuudesta rinnakkaisesta SINIS-elektroniportista. Siihen kytketään vaihtojännitesignaali, jonka jokaiseToteutus: Käytännössä sähkövirran yksikkö toteutetaan jännitteen ja resistanssin kvanttimekaanisten mittanormaalien eli kvanttinormaalien avulla käyttäen hyväksi Ohmin lakia virta = jännite / resistanssi. Jännitteen kvanttinormaali perustuu pienissä suprajohderakenteissa esiintyvään Josephsonin ilmiöön. Resistanssin kvanttinormaaleissa hyödynnetään puolestaan kaksiulotteisten elektronikaasujen kvantti-Hall-ilmiötä. Resistanssinormaalien kaksiulotteinen elektronikaasu muodostetaan yleensä monikerroksisen puolijohderakenteen avulla. Viime vuosina on kuitenkin havaittu, että hiilen kaksiulotteinen muoto, eli grafeeni, vaikuttaa puolijohderakenteita paremmalta tavalta toteuttaa kvantti-Hall-normaali. Myös MIKES tutkii kvantti-Hall-ilmiötä grafeenissa.

Vaikka lähes kaikki maailman sähkösuurekalibroinnit perustuvat kvanttinormaaleihin, ne eivät ole SI-järjestelmän mukaisia yksikön realisaatioita. Koska ampeerin realisaatio on kuitenkin äärimmäisen vaikeaa ja kvanttinormaalien toistettavuus on noin kolme kertalukua parempi, sähkösuureiden osalta on päädytty ottamaan kansainväliseen käyttöön niin sanotut tavanmukaiset mittayksiköt (conventional units). Ne määritellään Josephsonin ilmiön avulla toteutettavan tavanmukaisen voltin ja kvantti-hall-ilmiön avulla toteutettavan tavanmukaisen ohmin avulla käyttäen näihin kvanttinormaaleihin liittyville luonnonvakioille sovittuja kiinnitettyjä arvoja.

Sähkösuureiden tavanmukaiset mittayksiköt voidaan toteuttaa ja sähkösuureiden mittanormaaleita verrata keskenään hyvin tarkasti, mutta vertaaminen muihin SI-järjestelmän suureisiin on hankalaa. Tämä on eräs syy, jonka vuoksi SI-järjestelmää ollaan uudistamassa lähivuosina. Tavoitteena on, että ampeeri voitaisiin jatkossa määritellä kiinnittämällä alkeisvarauksen (e) arvo. Tämä edellyttää kuitenkin myös kilogramman määritelmän muuttamista. Kilogramma on tarkoitus määritellä kiinnittämällä Planckin vakion (h) arvo, ja se voitaisiin realisoida esimerkiksi niin sanotulla wattivaakakokeella, jossa massan gravitaatiopotentiaalienergiaa verrataan sähköenergiaan.

Uudessa SI-järjestelmässä ampeeri realisoitaisiin varmasti useimmiten Josephson- ja kvantti-Hall-normaalien avulla. Käsitteellisesti suoraviivaisin tapa olisi kuitenkin siirtää yksittäisiä elektroneja atomikelloihin lukittavalla taajuudella, jolloin saadaan sähkövirta I=ef. Tällä periaatteella toimivaa sähkövirran kvanttinormaalia voitaisiin verrata Ohmin lain kautta jännitteen ja resistanssin kvanttinormaaleihin. Tällaista koetta kutsutaan kvanttimetrologiakolmioksi, ja se on ollut pitkään eräs nykymetrologian suurimmista haasteista. Kvanttimetrologiakolmion avulla voitaisiin tutkia kvanttinormaalien mahdollisia systemaattisia virheitä, mikä lisäisi huomattavasti tulevan luonnonvakiopohjaisen SI-järjestelmän uskottavuutta.

MIKES tutkii sähkövirran tuottamista yksittäisten elektronien avulla yhteistyössä Aalto-yliopiston kanssa niin sanotussa SINIS-elektroniporttirakenteessa. Se on suprajohtavista elektrodeista (S) ja normaalijohtavasta saarekkeesta (N) sekä niiden välisistä ohuista eristekerroksista (I) koostuva yhden elektronin transistori. Yksinkertaisuutensa ansiosta SINIS-portteja voidaan kytkeä useita rinnakkain, mikä moninkertaistaa tuotetun sähkövirran. MIKESin, Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteistyönä valmistellaan myös kvanttimetrologiakolmiokoetta, jossa SINIS-elektroniportin virtaa verrataan Josephson- ja kvantti-Hall-normaaleihin.