CCC 设置和典型的 Allan 偏差。图片来源:自然 (2024)。DOI: 10.1038/s41928-024-01295-w
维尔茨堡大学和德国国家计量研究所 (PTB) 的科学家们进行了一项实验,实现了一种新的电阻量子标准。它基于量子异常霍尔效应。
该工作已发表在《自然》杂志上。
电阻的精确测量在工业生产或电子产品中至关重要,例如,在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中。
“非常精确的测量在这里至关重要,因为即使是最小的偏差也会对这些复杂系统产生重大影响,”维尔茨堡大学 (JMU) 拓扑绝缘子研究所的物理学家 Charles Gould 教授解释说。
科学家们现在首次通过实验实现了一种所谓的量子电阻标准,该标准可以在没有外部施加磁场的情况下运行。
“在物理学中,标准品被用作精确测量物理量和校准测量仪器的固定参考点,”Gould 说。“量子标准基于量子力学的不变原理运行,这使得它非常稳定。”
标准如何运作许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应:当电流流过导体并暴露在磁场中时,会产生电压,即所谓的霍尔电压。将此电压除以电流产生霍尔电阻。
它随着磁场的增强而增加。在几纳米以下的极细导体中(相比之下:人的头发大约有 100,000 纳米厚)并且在非常强的磁场下,电阻不再持续增加,而是始终达到相同的固定值(具有通用值的离散步骤,并且独立于任何设备属性)。
这被称为量子霍尔效应 (QHE)。QHE 中的电阻具有普遍价值,这一事实使其成为确定电阻标准的理想基础。
量子反常霍尔效应 (QAHE) 的特殊之处在于它允许量子霍尔效应存在于零磁场中。
“在没有任何外部磁场的情况下操作不仅简化了实验,而且在确定另一个物理量(千克)时也具有优势。要定义一千克,必须同时测量电阻和电压标准,“Gould 说,”但测量电压标准只能在没有磁场的情况下工作,因此 QAHE 是理想的选择。
到目前为止,在零外部磁场下对 QAHE 的测量缺乏现代量子计量应用所需的精度。新的测量首次将无磁场 QAHE 标准与早期基于 QHE 的传统电阻标准相提并论,达到了必要的精度阈值。
更多计划到目前为止,没有外部磁场的量子电阻标准仍然仅限于极低的温度和低电流。为了使该标准在未来可用于商业用途,例如用于工业,需要进一步改进该实验。
因此,Gould 的维尔茨堡团队继续与德国布伦瑞克的德国联邦物理技术研究院 (PTB) 以及作为欧洲计量联盟 QuAHMET 一部分的国际研究人员共同努力。
更多信息:D. K. Patel 等人零磁场量子电阻标准为 10-9水平,自然 (2024)。DOI: 10.1038/s41928-024-01295-w
期刊信息: Nature