Kredit:CC0 Public Domain
Fram till 2018 definierades SI-enheten för massa, kilogram, som massan av ett verkligt objekt:International Prototype Kilogram, förvarad i en säker anläggning i utkanten av Paris. Den 16 november 2018 fick kilogram en ny, internationellt accepterad definition, baserad på tre definierande konstanter:ljusets hastighet, Planck-konstanten och den hyperfina övergångsfrekvensen för cesium. En av metoderna för att mäta en massa baserat på den nya definitionen är en enhet som heter Kibble-balansen.
Trots den nuvarande precisionen i denna enhets mätningar kan dess komponenter förbättras för att minska källor till osäkerhet. Genom ny forskning publicerad i EPJ Techniques and Instrumentation , Darine Haddad och kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST) visar hur ett nytt, optimerat tillvägagångssätt för Kibble-balansens design kan förbättra dess noggrannhet ytterligare.
Idag tillåter Kibble-balansen forskare att mäta massor i makroskala, direkt baserat på grundläggande kvantprinciper. För att göra detta mäts två kvanteffekter:kallad Josephson-effekten och kvanthallresistans (QHR) – en kvantiserad form av elektriskt motstånd, som kan mätas i 2D-material vid låga temperaturer, när de utsätts för starka magnetfält. För närvarande realiseras QHR i ett separat experiment externt till mätsystemet, vilket introducerar osäkerheter i Kibble-balansens övergripande mätning.
För att övervinna detta problem utvecklar forskare vid NIST Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite (QEMMS). Den här enheten implementerar QHR direkt i den elektriska kretsen för Kibble-balansen och systemet för att mäta Josephson-spänningen – vilket eliminerar all kalibreringsosäkerhet.
I sin studie presenterar Haddads team en optimerad design för QEMMS, inriktad på massor från 10 till 200g. För massor på 100 g visade de att mätningar kunde göras med en relativ osäkerhet på bara 2x10 -8 —erbjuder avsevärda förbättringar jämfört med tidigare Kibble-balanskonstruktioner. Som ett resultat kan QEMMS snart tillåta forskare att göra oberoende, ultraexakta mätningar av makroskopiska massor – vilket avsevärt förbättrar deras experimentella data. + Utforska vidare
