تحولی بزرگ در تعیین واحدهای الکتریکی

اهمیت اندازه‌گیری دقیق مقاومت الکتریکی

اندازه‌گیری دقیق مقاومت الکتریکی در تولید صنعتی و الکترونیک بسیار حیاتی است؛ به‌ویژه در ساخت حسگرهای پیشرفته، میکروچیپ‌ها و کنترل‌های پرواز. پروفسور چارلز گولد، فیزیک‌دان در مؤسسه عایق‌های توپولوژیکی دانشگاه وورزبورگ (JMU)، توضیح می‌دهد: “اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق در اینجا ضروری است، زیرا حتی کوچک‌ترین انحرافات می‌توانند تأثیرات قابل توجهی بر این سیستم‌های پیچیده داشته باشند.”

استاندارد مقاومت کوانتومی

این دانشمند اکنون برای اولین بار استانداردی به نام استاندارد مقاومت کوانتومی را به‌طور تجربی پیاده‌سازی کرده است که می‌تواند بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی عمل کند. گولد می‌گوید: “در فیزیک، استانداردها به‌عنوان نقاط مرجع ثابت برای اندازه‌گیری دقیق مقادیر فیزیکی و کالیبراسیون ابزارهای اندازه‌گیری استفاده می‌شوند. یک استاندارد کوانتومی بر اساس اصول invariant مکانیک کوانتومی عمل می‌کند که آن را فوق‌العاده پایدار می‌سازد.”

نحوه عملکرد استاندارد

بسیاری از افراد ممکن است اثر کلاسیک هال را از درس‌های فیزیک خود به یاد داشته باشند: زمانی که جریانی از یک هادی عبور می‌کند و در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، ولتاژی ایجاد می‌شود که به آن ولتاژ هال می‌گویند. تقسیم این ولتاژ بر جریان، مقاومت هال را به دست می‌دهد. این مقاومت با تقویت میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد. در هادی‌های بسیار نازک که ضخامت آن‌ها کمتر از چند نانومتر است (برای مقایسه: ضخامت یک موی انسان حدود 100,000 نانومتر است) و با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی، مقاومت دیگر به‌طور پیوسته افزایش نمی‌یابد، بلکه همیشه به مقادیر ثابت معینی می‌رسد؛ این مقادیر به‌صورت گام‌های گسسته وجود دارند و به هیچ ویژگی دستگاهی وابسته نیستند. این پدیده به نام اثر هال کوانتومی (QHE) شناخته می‌شود. اینکه مقاومت در QHE مقادیر جهانی را به خود می‌گیرد، آن را به‌عنوان پایه‌ای ایده‌آل برای تعیین استاندارد مقاومت تبدیل می‌کند. ویژگی خاص اثر هال غیرعادی کوانتومی (QAHE) این است که اجازه می‌دهد اثر هال کوانتومی در میدان مغناطیسی صفر وجود داشته باشد.

عملکرد استاندارد مقاومت کوانتومی بدون میدان مغناطیسی

گولد می‌گوید: “عملکرد در غیاب هرگونه میدان مغناطیسی نه تنها آزمایش را ساده‌تر می‌کند، بلکه در تعیین یک کمیت فیزیکی دیگر، یعنی کیلوگرم، نیز مزیتی به همراه دارد. برای تعریف یک کیلوگرم، باید همزمان مقاومت الکتریکی و استانداردهای ولتاژ را اندازه‌گیری کرد.” او ادامه می‌دهد: “اما اندازه‌گیری استاندارد ولتاژ تنها در غیاب میدان مغناطیسی ممکن است، بنابراین QAHE برای این منظور ایده‌آل است.”

تا کنون، اندازه‌گیری‌های QAHE در صفر میدان مغناطیسی خارجی دقت لازم برای کاربردهای مدرن در متروئولوژی کوانتومی را نداشت. اندازه‌گیری‌های جدید برای اولین بار استاندارد QAHE بدون میدان مغناطیسی را در سطح استانداردهای مقاومت مبتنی بر QHE سنتی قرار می‌دهد و به آستانه‌های دقت لازم دست می‌یابد.

برنامه‌های آینده

تا کنون، عملکرد استاندارد مقاومت کوانتومی بدون میدان مغناطیسی محدود به دماهای بسیار پایین و جریان‌های کم بوده است. برای اینکه این استاندارد در آینده به طور تجاری قابل استفاده باشد، به عنوان مثال در صنعت، نیاز به بهبود بیشتر آزمایش وجود دارد. بنابراین، تیم گولد در وورزبورگ همچنان به همکاری با Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) در براون‌اشوایگ، آلمان و همچنین با پژوهشگران بین‌المللی به عنوان بخشی از کنسرسیوم متروئولوژی اروپا QuAHMET ادامه می‌دهد. این پروژه تحقیقاتی توسط کمیسیون اروپا، ایالت آزاد بایرن و بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) تأمین مالی شده است.

خوشه برتری ct.qmat

تیم تحقیقاتی همچنین در خوشه برتری ct.qmat — پیچیدگی و توپولوژی در ماده کوانتومی — که از سال 2019 به طور مشترک توسط دانشگاه وورزبورگ (JMU) و دانشگاه تکنیکال درسدن (TU) اداره می‌شود، شرکت دارد. بیش از 300 دانشمند از بیش از سی کشور و چهار قاره به مطالعه مواد کوانتومی توپولوژیکی می‌پردازند که پدیده‌های شگفت‌انگیزی را تحت شرایط شدید مانند دماهای فوق‌العاده پایین، فشار بالا یا میدان‌های مغناطیسی قوی نشان می‌دهند. ct.qmat از طریق استراتژی برتری آلمان از سوی دولت فدرال و ایالت‌ها تأمین مالی می‌شود و تنها خوشه برتری در آلمان است که در دو ایالت فدرال مختلف مستقر است.