Este é o transístor supercondutor de elétron único usado na demonstração.
[Imagem: Marco Marín-Suárez et al. - 10.1038/s41565-021-01053-5]

Padrão de medição de energia

O Sistema Internacional de Unidades (SI) estabelece que as unidades de medida precisam ser definidas em termos das constantes da natureza, isto é, regras da natureza que são fixas, como a velocidade da luz, ou que possam ser definidas com altíssima precisão - em contraste com referências arbitrárias, como uma barra de comprimento ou um cilindro de peso.

Isso tem exigido inúmeras pesquisas fundamentais e experimentais para relacionar as muitas unidades do sistema com as constantes já bem estabelecidas.

Pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, descobriram agora uma nova maneira de associar o watt (a unidade de potência) às constantes da natureza.

Eles acreditam que seu método pode apontar o caminho para um novo padrão de medição de energia, ou seja, uma nova maneira de produzir uma quantidade de energia conhecida a priori, com a qual outras fontes de energia e detectores podem ser comparados.

Para isso, a equipe desenvolveu um dispositivo que converte frequência em potência. A frequência é uma quantidade que pode ser definida com baixa incerteza e, portanto, fornece uma base sólida para um novo padrão.

"A frequência pode ser definida com muita, muita precisão. Se você puder fazer com que as outras grandezas dependam da frequência de uma maneira conhecida, então você terá um padrão muito preciso," disse o professor Jukka Pekola.

Energia em função da frequência

No experimento, a energia é produzida com um transístor de um único elétron, construído anteriormente pela equipe para estudar o chamado Demônio de Maxwell e as leis da termodinâmica.

A equipe já havia comprovado que esse transístor pode funcionar como um padrão para o ampère, a unidade de corrente elétrica.

Agora eles demonstraram que o transístor supercondutor, que funciona a temperaturas próximas do zero absoluto, pode emitir as excitações de energia - quasipartículas - de forma muito precisa.

"Neste regime de operação, as excitações [quasipartículas] são injetadas nos eletrodos supercondutores a uma taxa proporcional à frequência de acionamento. Alcançamos uma redução de densidade em uma ordem de magnitude mesmo para a taxa de injeção mais alta de 2,4 × 108 quasipartículas por segundo quando a extração está ligada," escreveram os pesquisadores.

"Basicamente, esta é potencialmente uma nova forma de discernir um watt, ou fluxo de energia, apenas definindo quantidades previamente conhecidas," acrescentou o pesquisador Marco Suárez, responsável pelos experimentos.

Além disso, os pesquisadores demonstraram que essa dependência da frequência obedece a uma lei simples com precisão e robustez.

Potência medida em diferentes pontos de trabalho do transístor: Os valores são múltiplos inteiros pares do diferencial de frequência.
[Imagem: Marco Marín-Suárez et al. - 10.1038/s41565-021-01053-5]

Metrologia

O caminho de uma proposta, com a feita pela equipe agora, até um novo padrão realmente aceito, contudo, é longo. Os pesquisadores finlandeses esperam que seu trabalho atraia a atenção de metrologistas, que poderão levar adiante o método desenvolvendo medições mais precisas.

"Este primeiro experimento ainda não estava no nível da metrologia. Contudo, pudemos demonstrar que esse princípio funciona, e também mostramos de onde vêm os principais erros. Resta saber se ele virá a ser adotado pela comunidade metrológica," disse Pekola.

A própria equipe não deu o trabalho por encerrado, e continuará caracterizando quão bem a lei de conversão de frequência para potência se ajusta ao seu método. Isso aumentará a precisão na qual pequenas potências podem ser calibradas.