مقاومت الکتریکی بدون مغناطیس ممکن شد: انقلاب جدید در اندازه‌گیری!

اهمیت اندازه‌گیری دقیق مقاومت (رسانایی) الکتریکی

اندازه‌گیری دقیق مقاومت (رسانایی) الکتریکی، توی صنعت و الکترونیک خیلی مهمه. مخصوصاً تو ساخت سنسورهای پیشرفته، ریزتراشه‌ها و سیستم‌های کنترل پرواز. پروفسور چارلز گولد، فیزیکدان از مؤسسه عایق‌های توپولوژیکی دانشگاه وورزبورگ (JMU)، میگه: “اندازه‌گیری‌های بی‌نهایت دقیق اینجا لازمه، چون حتی کوچک‌ترین انحراف‌ها هم می‌تونن تأثیرات بزرگی روی این سیستم‌های پیچیده بذارن.”

استاندارد کوانتومی مقاومت (رسانایی)

این دانشمند حالا برای اولین بار یه استاندارد به اسم استاندارد کوانتومی مقاومت (رسانایی) رو، به شکل تجربی پیاده کرده که می‌تونه بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی کار کنه. گولد می‌گه: “تو فیزیک، استانداردها مثل یه نقطه مرجع ثابت برای اندازه‌گیری دقیقِ مقادیر فیزیکی و کالیبره کردن ابزارهای اندازه‌گیری استفاده می‌شن. یه استاندارد کوانتومی بر اساس اصول نامتغیّر مکانیک کوانتومی کار می‌کنه که این باعث می‌شه فوق‌العاده پایدار باشه.”

روش کار استاندارد

خیلی‌ها احتمالاً اثر هال کلاسیک رو از دوران فیزیک یادشونه: زمانی که جریانی از یه هادی رد می‌شه و در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیره، ولتاژی تولید می‌شه که بهش ولتاژ هال می‌گن. تقسیم این ولتاژ به جریان، مقاومت هال رو به دست می‌ده. (که همون رسانایی نیست!). این مقاومت، با قوی‌تر شدن میدان مغناطیسی، بیشتر می‌شه. تو هادی‌های خیلی نازک که ضخامتشون کمتر از چند نانومتره (مثلاً ضخامت یه تار موی انسان حدود 100,000 نانومتره) و با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی، مقاومت دیگه پیوسته زیاد نمی‌شه، بلکه همیشه به مقادیر ثابت و مشخصی می‌رسه. این مقادیر، به صورت پله‌پله وجود دارن و به هیچ ویژگی از دستگاه بستگی ندارن. این پدیده به اسم اثر هال کوانتومی (QHE) شناخته می‌شه. این که مقاومت تو QHE مقادیر جهانی رو به خودش می‌گیره، باعث می‌شه که یه پایه ایده‌آل برای تعیین استاندارد مقاومت باشه. ویژگی خاص اثر هال غیرعادی کوانتومی (QAHE) اینه که اجازه می‌ده اثر هال کوانتومی تو میدان مغناطیسی صفر هم وجود داشته باشه.

کارکرد استاندارد کوانتومی مقاومت (رسانایی) بدون میدان مغناطیسی

گولد می‌گه: “کار کردن بدون هیچ میدانی مغناطیسی، نه تنها آزمایش رو ساده‌تر می‌کنه، بلکه تو تعیین یه مقدار فیزیکی دیگه، یعنی کیلوگرم هم یه مزیت به حساب میاد. برای تعریف یه کیلوگرم، باید همزمان مقاومت (رسانایی) الکتریکی و استانداردهای ولتاژ رو اندازه‌گیری کرد.” اون ادامه می‌ده: “ولی اندازه‌گیری استاندارد ولتاژ، فقط تو نبود میدان مغناطیسی ممکنه، برای همین QAHE برای این منظور ایده‌آله.”

تا حالا، اندازه‌گیری‌های QAHE تو میدان مغناطیسی صفر، دقت لازم برای کاربردهای امروزی تو مترولوژی کوانتومی رو نداشت. اندازه‌گیری‌های جدید برای اولین بار استاندارد QAHE بدون میدان مغناطیسی رو، تو سطح استانداردهای مقاومت (رسانایی) مبتنی بر QHE سنتی قرار می‌ده و به آستانه‌های دقت مورد نیاز می‌رسه.

برنامه‌های آینده

تا الان، کارکرد استاندارد کوانتومی مقاومت (رسانایی) بدون میدان مغناطیسی، به دماهای خیلی پایین و جریان‌های کم محدود بوده. برای این که این استاندارد تو آینده، بشکل تجاری قابل استفاده باشه، مثلاً تو صنعت، نیاز هست که آزمایش‌ها بیشتر پیشرفت کنن. به همین دلیل، تیم گولد تو وورزبورگ هم‌چنان به همکاری با Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) تو براون‌شوایگ آلمان و هم‌چنین با پژوهشگرهای بین‌المللی، به عنوان بخشی از کنسرسیوم مترولوژی اروپایی QuAHMET ادامه می‌ده. این پروژه تحقیقاتی توسط کمیسیون اروپا، ایالت آزاد بایرن و بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) تأمین مالی شده.

خوشه برتری ct.qmat

تیم تحقیقاتی هم‌چنین تو خوشه برتری ct.qmat – پیچیدگی و توپولوژی تو ماده کوانتومی – که از سال 2019 به صورت مشترک، توسط دانشگاه وورزبورگ (JMU) و دانشگاه تکنیکال درسدن (TU) اداره می‌شه، شرکت داره. بیش از 300 دانشمند از بیش از سی کشور و چهار قاره، دارن روی بررسی مواد کوانتومی توپولوژیکی کار می‌کنن که پدیده‌های عجیبی رو، تو شرایط خاص مثل دماهای خیلی پایین، فشار زیاد یا میدان‌های مغناطیسی قوی نشون می‌دن. ct.qmat از طریق استراتژی برتری آلمان از طرف دولت فدرال و ایالت‌ها تأمین مالی می‌شه و تنها خوشه‌ی برتری تو آلمانه که تو دو ایالت فدرال مختلف واقع شده.