УДК 006.91:537.633.2
ТЕМИРХАНОВ Д.Т.,1 НИЯЗБЕКОВА Р.К.,2 МИХАЛЧЕНКО В.Н.1
1РГП «Казахстанский институт метрологии», Астана, Казахстан
2Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилёва, Астана, Казахстан
О ЗНАЧИМОСТИ КВАНТОВОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА ПРИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В настоящее время экспериментальные и теоретические исследования в области квантовой метрологии, направленные на создание средств измерений нового поколения и создания на их основе системы «естественных эталонов» физических величин, т.е. таких эталонов, размер единиц которых определяется стабильными физическими явлениями и фундаментальными физическими константами, динамично развиваются. Переход на естественные эталоны позволит воспроизводить единицы физических величин независимо от времени, места и внешних условий.
Принципиальная возможность такого воспроизведения базируется на неразличимости тождественных частиц и универсальности и простоте законов, управляющих элементарными квантовыми явлениями. При этом точность принципиально ограничивается лишь соотношением неопределенностей. Применение в метрологии квантовых макроскопических эффектов позволяет
«передать» (транслировать) эти преимущества в обычный макроскопический диапазон величин.
Изучаемые квантовые явления с точки зрения метрологических применений, равно как и принципиально, качественно различаются в нескольких отношениях.
Воспроизведение единицы измерения - это совокупность метрологических операций, которую должен обеспечить эталон физической величины. Из этих операций наиболее существенны следующие: выбор или создание объекта, свойством или параметром которого являлась бы воспроизводимая физическая величина со стабильным размером; нахождение размера этой величины в принятых единицах; обеспечение возможности передачи размера единицы другим средствам измерений. Поскольку воспроизведение единиц является одной из основных задач метрологии и направлено на обеспечение единства измерений, в каждом пункте стремятся добиться наивысшей точности, достижимой на этапе создания эталона.
В настоящее время воспроизведение единиц опирается главным образом на стабильные физические явления и фундаментальные физические константы. Роль стабильных физических явлений легко уяснить на примере основных механических единиц - секунды и метра, значение физических констант ярче всего проявляется при воспроизведении электрических и магнитных величин.
На сегодняшний день лаборатория измерений электрических величин Казахстанского института метрологии обладает точнейшими по современным меркам эталонами:
– Государственный первичный эталон вольта на основе квантового эффекта Джозеффсона;
– Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока;
– Государственный первичный эталон единицы электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла;
– Государственный эталон единицы переменного электрического напряжения;
– Государственный эталон единицы силы переменного тока;
– Государственный эталон единицы электрической емкости;
– Государственный эталон единицы индуктивности.
Во второй половине 2009 года был создан и возведён по статусу в ранг первичного государственного эталона - эталон единицы электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла – модель MI 6800A QuantΩ, производства компании «Measurements International Limited», Канада, регистрационный номер в реестре государственной системы обеспечения единства измерений Республики Казахстан №KZ.08.01.02294-2009 от 30.11.2009 года.
Суть используемого эффекта состоит в том, что при определенных условиях квантовое сопротивление Холла (далее - КСХ) в двумерных слоях носителей тока в полупроводниках, помещенных в перпендикулярное магнитное поле при температурах жидкого гелия не зависит от концентрации носителей и выражается через комбинацию фундаментальных физических констант
ie
2R
H
,где – постоянная Планка 4,13566733(10)×10-15 эВ·с;
е – заряд электрона 1,602176487(40)×10-19 Кулона;
i – натуральное число.
MI 6800A Quant Ω предназначен для воспроизведения исходного размера единицы ЭС с точностью значения до 10-8 Ом посредством реализации квантового эффекта Холла и передачи размера эталонным мерам ЭС нулевого порядка в диапазоне номинальных значений от 1-го до 12,906 кОм.
Измерительная система включает в себя (рис. 1) цифровой автоматический мост- компаратор постоянного тока модели MI 6010Q, предназначенный для сравнения значений ЭС двух резисторов с точностью до 1·10-8 Ом; 10-канальный, 4-полюсный матричный сканер модели MI 4210А (Four terminal matrix scanner).
Рисинок 1. Мост-компаратор MI 6010Q и матричный сканер MI 4210А
По результатам исследований комплекта мер МС 3050 нулевого порядка с использованием первичного эталона электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла установлены следующие значения метрологических характеристик (приведены в таблице 1). Меры находились в жидкостном термостате ТУ300М при температуре 29,8 ±0,05ºC.
Таблица 1
Тип
меры Зав. №
Номинальное значение сопротивления
меры, Rном
Действительное значение сопротивления меры,
Rд
Расширенная неопределеннос
ть при k=2, URO, 10-7
ТКС, 10-6 α,
1/°С
β, 1/°С МС 3050 009
1 Ом 0,9999985 2·10-7 1,59 -0,078
МС 3050 010 0,9999970 2·10-7 1,55 -0,058
МС 3050 015
10 Ом 9,9997542 2·10-7 0,89 -0,077
МС 3050 016 10,000046 2·10-7 1,6 -0,066
МС 3050 030
100 Ом 99,99912116 3·10-7 1,01 -0,080
МС 3050 031 100,001659 3·10-7 1,22 -0,078
МС 3050 013
1 кОм 999,988091 2·10-7 1,31 -0,071
МС 3050 014 999,994389 2·10-7 1,29 -0,067
МС 3050 006
10 кОм 10000,004471 2·10-7 1,20 -0,072
МС 3050 007 9999,9025641 2·10-7 1,3 -0,071
МС 3050 002
12,9 кОм 12906,21062 4·10-7 1,05 -0,08
МС 3050 003 12906,32950 3·10-7 1,05 -0,077
В результате проведенных исследований эталона электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла были получены следующие метрологические характеристики:
Эталон воспроизводит единицу электрического сопротивления способом реализации квантового эффекта Холла. Воспроизводимое значение 12906,4035 Ом;
Точность воспроизведения не превышает 0,05 мкОм/Ом, стабильность воспроизведения не превышает 0,02 мкОм/Ом;
Размер единицы электрического сопротивления передан для хранения от первичного эталона комплекту мер типа МС 3050 нулевого порядка в диапазоне от 1 Ом до 12,9 кОм;
Суммарное СКО передачи размерам единицы в пределах диапазона находится в пределах от 5·10-8 до 1·10-6;
Суммарная погрешность воспроизведения единицы с учетом передачи её размера от КСХ к эталонным мерам не превышает 45·10-7.
Размер единицы воспроизводимый и хранимый Государственным первичным эталоном единицы электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, используется при функционировании первичных эталонов в области магнитных измерений, термометрии, электрической мощности, индуктивности.
Наличие эталона единицы электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла позволяет Республике Казахстан:
- принять участие в международных ключевых сличениях и подтвердить соответствие технической компетентности измерительных лабораторий республики современным международным требованиям (признание данного вида измерений на международном уровне);
- также дает возможность проведения прикладных научных исследований совместно с эталоном вольта на основе квантового эффекта Джозефсона по созданию эталона постоянного тока.
Точность воспроизведения единиц электромагнетизма определяется точностью нашего знания значений фундаментальных физических констант. Задачи уточнения значений фундаментальных физических констант являются поэтому не только одним из главных направлений современной и будущей метрологии, но и важнейшими физическими задачами.
Кроме того, практика показывает, что передовые технологии и точнейшие измерения образуют тандем, в котором прогресс одних определяет в конечном итоге прогресс других.
Литература
1. Тарбеев Ю.В., Краснов К.А., Герасимов Н.П., Тунинский B.C. Фундаментальные физические константы и зоснроизведение единиц физических величин // Измерительная тежника. - 1984. - №7. - С. 10-15.
2. Tarbeyev Yu.V. The Work Done at the Mendeleyev Research Institute of Metrology (VNIIM) to Improve the Values of the Fundamental Constants. Precision Measurement and Fundamental Constants II, B.N. Taylor and W.D. Phillips, Eds., N.B.S. Spec. Publ. 617, 1984.
3. Бароне A., ПатерноДж. Эффект Джозефсона. - М.: Мир, 1984. -640 с.
4. Горбацевич C.B. Определение и воспроизведение единиц физических величин // Метрология.
- 1972. - №12. -С. 2-26.
