Una pietra miliare nella metrologia elettrica è stata raggiunta con lo sviluppo di un singolo dispositivo quantistico capace di misurare con precisione le unità fondamentali di corrente, tensione e resistenza: l'ampere, il volt e l'ohm. Questa innovazione promette di semplificare notevolmente le procedure di misurazione elettrica, elevando la precisione e minimizzando il margine di errore umano.
Il cuore di questa tecnologia risiede nell'integrazione di un resistore quantistico ad effetto Hall anomalo (QAHR) e di uno standard di tensione Josephson programmabile (PJVS) all'interno di un unico criostato. Questo sistema, operando a basse temperature, sfrutta principi di meccanica quantistica per ottenere misurazioni di tensione con un errore minimo, comprese tra 0,24 e 6,5 millivolt, unitamente a misurazioni di resistenza e corrente di eccezionale accuratezza. La chiave di volta di questa integrazione è l'impiego di un nuovo materiale che manifesta le sue proprietà quantistiche intrinseche senza la necessità di un campo magnetico esterno, superando una delle sfide tecniche più significative.
L'adozione di questo dispositivo è attesa presso i laboratori di metrologia d'eccellenza e gli istituti nazionali di misurazione, con l'obiettivo di stabilire dati più affidabili e precisi in svariati settori scientifici e industriali. L'avanzamento verso uno strumento quantistico multifunzione è destinato a stimolare ulteriori progressi nella ricerca sui materiali topologici e nel design dei criostati, come evidenziato dalla pubblicazione dei risultati sulla prestigiosa rivista Nature Electronics.
Storicamente, gli standard di tensione Josephson, introdotti negli anni '60, hanno rivoluzionato la metrologia elettrica, offrendo una stabilità di riferimento superiore alle celle Weston. Tuttavia, i primi standard a singola giunzione generavano tensioni molto basse (1-10 mV), richiedendo la connessione di più giunzioni in serie per ottenere tensioni più elevate, un processo complesso che necessitava di regolazioni individuali per ciascuna giunzione. Progressi successivi, guidati dalla ricerca sui computer a giunzione Josephson, hanno portato a chip con migliaia di giunzioni, capaci di generare migliaia di tensioni quantizzate e rendendo disponibili sistemi completi per la metrologia della tensione già alla fine degli anni '80.
La ridefinizione del Sistema Internazionale di Unità (SI) nel 2019 ha ulteriormente rafforzato il ruolo degli standard quantistici, definendo le unità elettriche in funzione delle costanti fondamentali come la carica elementare (e) e la costante di Planck (h). Questo nuovo quadro normativo rende cruciale l'accuratezza degli standard quantistici, spingendo la ricerca verso l'estensione delle loro applicazioni anche a segnali in corrente alternata e variabili nel tempo, con l'obiettivo di raggiungere l'accuratezza dei sistemi in corrente continua.
L'impatto economico di queste innovazioni è considerevole. Circa il 40% dei servizi di calibrazione in Europa è legato alla metrologia elettrica. L'introduzione di standard primari più accurati, facili da usare e meno complessi promette una riduzione dei costi e delle incertezze di misurazione per le industrie, migliorando la qualità dei prodotti e l'efficienza complessiva. L'applicazione diffusa di questa tecnologia, specialmente in ambienti produttivi, può portare a significativi miglioramenti nell'assicurazione della qualità, riducendo scarti, rilavorazioni e test ripetuti, con benefici tangibili per settori come l'elettronica, le telecomunicazioni e la manifattura industriale.