Физики обосновали спасение килограмма эффектом Холла

Cистема единиц СИ стоит на пороге самой серьёзной правки за последние полвека. Но чтобы такая правка произошла, необходимо убедиться, что предлагаемые изменения предельно корректны с точки зрения науки.

Учёные из Великобритании, Франции и Швеции выполнили самое точное измерение целочисленного квантового эффекта Холла в разнородных материалах, включая такой экзотический, как графен. Исследователи показали, что данный эффект способен служить базой для нового определения килограмма.

Для определения параметров графена физикам пришлось построить вот такую установку, охлаждаемую до нескольких градусов выше абсолютного нуля (фото NPL).

Физики давно говорят, что эталон килограмма надо спасать. Сделанный из платины и иридия цилиндрик, что хранится в Париже в Международном бюро мер и весов (BIPM), за последние 60 лет похудел на какие-то доли микрограмма (что было выявлено сравнением эталона со множеством его более поздних копий).

С бытовой точки зрения это почти невесомая потеря, но для науки такой ущерб совершенно не приемлем: на эталон опирается слишком много тончайших экспериментов, пытающихся раскрыть основы мироздания. Если килограмм «поплывёт», рухнет и множество измерений фундаментальных констант.

Потому учёные давно пытаются заменить килограмм каким-то универсальным определением, от материальных гирь не зависящим. Как это было сделано с метром, привязанным к скорости света в вакууме и секунде (которую, в свою очередь, определили через параметры излучения атома цезия-133).

Один из предлагаемых подходов — выведение эталонного килограмма c помощью инструмента ватт-баланс (watt balance). Этот прибор сравнивает вес объекта с электромагнитными силами (через прецизионное измерение тока и напряжения).

Однако такой эталон будет работать, только если квантованные значения сопротивления Холла никак не зависят от испытываемых материалов, а определяются лишь соотношением постоянной Планка и квадрата заряда электрона (h/e²).

Напомним, обычный эффекта Холла заключается в возникновении напряжения на противоположных сторонах листа проводника, по которому идёт ток и перпендикулярно которому приложено магнитное поле. Квантовый эффект Холла возникает при низких температурах в столь тонких листах, что в них электроны начинают перемещаться в одной плоскости (возникает двумерный электронный газ).

Все предыдущие опыты говорили о том, что квантованное сопротивление Холла действительно от выбора материала не зависит. Но оставалось сомнение: может, в руки учёных попадали недостаточно разнородные вещества? Теперь группа экспериментаторов из британской Национальной физической лаборатории (NPL) при поддержке коллег из Швеции и Франции выполнила первое прямое сравнение сопротивления Холла в графене и полупроводнике арсениде галлия.

Учёные не измеряли параметры этих материалов по очереди, а построили установку таким образом, что при малейшей разнице в сопротивлениях двух образцов на тестовых контактах возникал бы ток. Но его выявить не удалось. Квантованные сопротивления двух материалов оказались равны с неопределённостью 8,6 ? 10^–11, заключили авторы эксперимента. (Его детали можно узнать из пресс-релиза лаборатории и статьи в New Journal of Physics.)

Важно, что для эффекта Холла арсенид галлия и графен представляют собой принципиально различные материалы. В первом электроны проводимости ведут себя как частицы с массой, а во втором уподобляются безмассовым фотонам, объясняет Physics World.

Всё это означает, что в пределах сегодняшних возможностей эксперимента мы вполне можем положиться в определении килограмма на ватт-баланс, графен и электрические мировые константы. (Заодно через h и e должно быть пересмотрено и определение единицы силы тока – ампера, напоминают учёные.)

Различные альтернативные способы определения эталонного килограмма будут обсуждаться на нынешней неделе в Париже на 24-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM).