Блог

Jul 28, 2023

NIST совершенствует свое флагманское устройство для измерения массы

В ярко освещенной подземной лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST) стоит электромеханическая машина размером с комнату, называемая весами NIST-4 Kibble. Инструмент уже может

В ярко освещенной подземной лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST) стоит электромеханическая машина размером с комнату, называемая весами NIST-4 Kibble.

Прибор уже может измерять массу объектов массой около 1 килограмма так же точно, как любой другой прибор в мире. Но теперь исследователи NIST еще больше улучшили характеристики своих весов Kibble, добавив к ним специальное устройство, которое обеспечивает точное определение электрического сопротивления. Устройство называется квантовым стандартом сопротивления массива Холла (QHARS) и состоит из набора нескольких меньших устройств, которые используют причуду квантовой физики для генерации чрезвычайно точных значений электрического сопротивления. Исследователи описывают свою работу в статье Nature Communications.

Это усовершенствование должно помочь ученым использовать свои весы для измерения масс менее 1 килограмма с высокой точностью, чего раньше не делали ни одни другие весы Kibble.

Измерения NIST-4 использовались, чтобы помочь ученым переопределить килограмм, фундаментальную единицу массы в Международной системе единиц (СИ), в 2019 году. Все, что необходимо взвешивать, основано на этом новом определении массы.

Новое устройство QHARS, созданное по индивидуальному заказу, является примером эталона измерения — объекта или инструмента, который имеет некоторую предопределенную связь с физической величиной, такой как длина, время или яркость. Стандартом в данном случае является электрическое устройство, использующее квантовые принципы для создания точного значения электрического сопротивления. Это создаваемое сопротивление затем служит ориентиром во время работы весов Kibble.

До этой работы весы Kibble NIST-4 основывались на другом стандартном приборе, который также обеспечивал точное определение электрического сопротивления. Но это устройство не могло быть напрямую включено в весы по техническим причинам.

Чтобы обойти эту проблему, исследователям пришлось взять другой объект, называемый артефактом, и использовать стандарт для калибровки или оценки этого артефакта. Затем они использовали артефакт напрямую с весами NIST-4 Kibble. Новая настройка устраняет необходимость в артефакте сопротивления и повышает точность весов.

«Выполнение дополнительного этапа калибровки резистора снижает точность измерений массы», — сказала Дарин Хаддад из NIST. «Поскольку мы теперь используем непосредственно квантовый стандарт вместо артефакта, мы полностью исключаем этап калибровки. Это снижает неопределенность сопротивления», что означает значительное улучшение точности измерения сопротивления.

«Текущая» дилемма

Балансировочная машина Kibble NIST-4 работает путем сравнения механической силы с электромагнитной силой. Короче говоря, на весах находится масса, и гравитация тянет ее вниз. Затем исследователи пропускают ток через катушку с проводом, находящуюся в магнитном поле, и этот электрический ток толкает массу вверх, эффективно левитируя ее в воздухе. Ученые измеряют силу тока, необходимую для того, чтобы объект плавал, точно балансируя его. Если вы можете измерить ток, вы сможете определить массу объекта.

Но чтобы это работало, ученым-измерителям необходимо точно знать, какой ток протекает через катушку, с высокой степенью точности. Они делают это путем измерения двух других, более простых для измерения величин: напряжения и сопротивления.

Стандарт квантового напряжения уже интегрирован в устройство. Но стандарт квантового сопротивления нельзя было использовать напрямую, потому что традиционное устройство, изготовленное из арсенида галлия (GaAs), не может правильно работать при относительно большом токе, необходимом для левитации объекта макромасштаба, такого как 50-, 100- или даже Масса 1000 грамм. Поэтому вместо этого устройство GaAs использовалось отдельно для измерения сопротивления только что откалиброванного объекта, который затем вставлялся в NIST-4 и использовался в реальных измерениях.

Новый QHARS спешит на помощь

Чтобы решить эту проблему, NIST разрабатывает и тестирует новый тип устройства квантового сопротивления: QHARS. Вместо GaAs этот инструмент сделан из графена — листа атомов углерода толщиной в один атомный слой, который на протяжении многих лет был горячей темой из-за его перспектив для различных применений, включая более быструю и гибкую электронику.