Фізики підвищать точність зважування 100 грамів

Фізики Національного інституту стандартів і технологій США показали нову версію ваг Кіббла — приладу для зважування, який визначає еталон одиниці маси у системі SI. Розроблений для них «набір квантової електромеханічної метрології» або QEMMS позбавляє вимірювання вагами Кіббла впливу використання вторинного еталона, а саме — прецизійного резистора з еталонним значенням електричного опору Ом. Тепер еталонний резистор буде безпосередньо частиною ваг Кіббла, що зробить відносну похибку вимірювання ваги у 100 грамів 2х10^-8. Деталі конструкції опубліковані у EPJ Techniques and Instrumentation.

Скільки важить кілограм?

У 2018 році кілограм став останньою з восьми основних одиниць міжнародної системи SI, еталонне значення якої стали визначати через фундаментальні фізичні константи: платино-іридієвий циліндр («гирку»), який зберігало Міжнародне бюро мір і ваг у Франції замінили вагами Кіббла, які забезпечують вимірювання маси через сталу Планка, швидкість світла та частоту надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133. Тепер кілограм — це величина, виражена через сталу Планка: 6,62607015×10^−34 kg m² s^−1. Метр і секунда визначаються через швидкість світла та частоту надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133. Або

Як працюють ваги?

Принцип зважування кілограма вагами Кіббла заснований на квантовій фізиці та електромеханіці та має два підходи: статичний (Weighing Mode) та динамічний (Velocity Mode). Ідея першого полягає в тому, щоб дізнатися масу через значення струму, яке необхідне для того, щоб врівноважити шальку з певною вагою створеним електромагнітним полем. Спрощено це має такий вигляд: mg = IBL, де B — магнітна індукція, L — довжина провідника у котушці, I — сила струму, m — маса тіла, g — прискорення вільного падіння.

І внесок Браяна Кіббла — дослідника Національної фізичної лабораторії Сполученого Королівства, на честь якого і названо прилад, — полягає у тому, щоб мати можливість точно виміряти величину BL попри неточності, які вносять витки котушки та магнітне поле. Так працює другий підхід: похибку, що вносить електромагнітна котушка, яка створює необхідну для «переважування» другої шальки магнітну силу, виключають з рівняння, вимірюючи напругу, яка виникає при русі котушки у магнітному полі. Таким чином BL = V/v, де V — напруга, а v— швидкість, з якою котушку рухають вгору-вниз. Тоді вимірювання ваги набуває такого вигляду: mgv=IV.

Прискорення вільного падіння вимірюють на місці, де встановлено пристрій, за допомогою гравіметра, швидкість руху котушки — інтерферометром, а напругу і струм — не вольтметром і амперметром, а за допомогою приладів, які використовують квантовий ефект Голла та ефект Джозефсона. Тож вимірювання маси набуває такого вигляду, де i — є фактором заповнення рівня Ландау, а v² є частотою випромінювання енергії електронів, яка є наслідком ефекту Джозефсона.

І таке вимірювання однаково неточне?

Квантовий ефект Голла являє собою макроскопічне квантове явище, яке виникає у поміщених в магнітне поле провідниках, та забезпечує універсальний стандарт електричного опору, який визначається двома константами: сталою Планка і зарядом електрона. Його зазвичай реалізують у резисторах з арсеніду галію, які втім, вимагають для цього значного магнітного поля. Наприклад, зображені на першій ілюстрації Ваги Кіббла NIST-4 з Національного інституту стандартів і технологій США мають систему магнітів вагою у тисячу кілограмів, які створюють магнітне поле у B = 0,55 тесла (що у 10 тисяч разів більше за магнітне поле Землі). Тому використовуваний у них резистор, як і у всіх інших конструкціях ваг Кіббла, є так званим вторинним еталоном, відкаліброваним згідно зі стандартами резистором. І дослідники Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) знайшли спосіб встановити його безпосередньо у конструкцію ваг — за допомогою моношару графену.

Вчені представили «Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite» (QEMMS), який складається з ваг Кіббла, системи еталону напруги Джозефсона (Programmable Josephson Voltage Standard System), а також первинного еталонного резистора, реалізованого у шарі графену, що безпосередньо вбудований у прилад, і дає можливість покращити загальну похибку вимірювання маси. Так графен дає можливість досягти ефекту Голла за вищих температур, більшого значення струму, а також плато рівня Ландау i=2.

На відміну від традиційних ваг Кіббла, що оптимізовані для вимірювання кілограма, QEMMS розрахований на діапазон мас від 10 до 200 грамів: його конструкція оптимізована для визначення 100 грамів із відносною похибкою у 2х10^-8. Весь QEMMS поміститься в одній кімнаті розміром приблизно 4 на 5 метрів, а завдяки прямому зв'язку з фундаментальними константами може використовуватися для реалізації одиниць маси, часу, довжини, електричного опору, напруги та струму системи SI.

Ми багато розповідаємо про цікаві властивості графену, які використовують фізики і не тільки. Наприклад, закручений під магічним кутом тришаровий графен виявився магнітостійким та обійшов межу Паулі. А двошаровий графен показав одночасно і надпровідні, і ізоляційні властивості. Також графен згодився для захисту картин від руйнування.