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国际前沿周报第16期

3064    2023-02-09    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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本期导读:

1、NIST-4基布尔天平首次直接采用了电阻量子标准

2、科学家产生并测量迄今为止最短的电子脉冲


NIST-4基布尔天平首次直接采用了电阻量子标准

NIST-4基布尔天平(Kibble balance)是精确测量“千克”的仪器,现在,NIST研究人员通过添加特制的量子霍尔阵列电阻标准(QHARS),提供了电阻的精确定义,从而进一步提高了基布尔天平的性能。该设备由一组较小的器件组成,这些器件通过量子物理学特性来产生极其精确的电阻量,这一改进将有助于实现基布尔天平对小于1 kg质量的高精度测量。

这一特制的量子霍尔电阻标准装置是一种测量基准,即与某一物理量(如长度、时间或亮度等)存在某种预设关系的物体或仪器。在本研究中,该基准体现为通过量子原理产生精确电阻的电气设备,其产生的精密电阻可作为基布尔天平测量过程中参考溯源的依据。

NIST-4 基布尔天平可测量大约 1 kg 的物体质量。图片为天平顶部的实物展示,包括一个随天平两侧移动而来回旋转的轮子,以及图像左侧可以看到一组细电线,可将电磁线圈(未附图)连接到天平的其他关键部件。图中的细电线像弹簧一样盘绕而不是被拉直的原因是,当轮子来回移动时,电线会拉伸而不会相互接触。图片来源:Jennifer Lauren Lee/NIST

在这项工作之前,NIST-4基布尔天平依赖于其他的基准器件,也可以提供电阻的精确定义。但由于技术原因,该设备无法直接纳入天平使用。为了解决这个问题,研究人员需要采用一个电阻“伪像”,并通过原基准校准或评估后,方能在NIST-4 基布尔天平的测量中使用。

本研究的新装置消除了对电阻伪影的需求,提高了天平的准确性。

“对电阻的额外校准过程,降低了质量测量的准确性,”NIST的Darine Haddad说。“因为我们现在直接使用量子基准而不是人工伪像,所以完全消除了校准步骤,降低了电阻的不确定性,也意味着电阻值的准确性有了显著提高。”

基布尔天平的工作原理是在机械力与电磁力之间达到平衡,简而言之,一定质量的物体放于天平上,重力使其下降,然后,研究人员给放置在磁场内的线圈通入电流,电磁力将物体向上推,有效地将其悬浮在半空中。科学家测量漂浮物体并达到精准平衡所需的电流量,从而计算出物体的质量。

但要做到这一点,对电流的测量精度要求非常高,科学家通过另外两个更容易测量的值来做到这一点:电压和电阻。

量子电压标准已经集成到器件中。但是量子电阻标准不能直接使用,因为由砷化镓(GaAs)制成的传统器件无法在悬浮宏观尺度物体(如50 g、100 g甚至1000 g)所需的相对大量的电流下正常工作。因此,GaAs器件被单独用于测量新基准物的电阻,然后将该基准插入NIST-4并用于实际测量。

为了解决这个问题,NIST一直在设计和测试一种新型的量子电阻器件:量子霍尔阵列电阻标准。该仪器由石墨烯制成,而不是GaAs ,石墨烯是仅由一层碳原子构成的薄膜,在电子产品领域表现出良好的应用前景,也一直是近年来的热门研究话题。

NIST开发的新型石墨烯量子霍尔阵列电阻标准将电流并联通过13个较小元件的阵列。这些元件的工作原理是基于量子霍尔效应,其中电阻是“量子化”的——也就是说,它只能有几个可能的、非常具体和可预测的值。这使得该设备成为在量子水平上准确的电阻标准。(见动画)。

科学家们首次将量子电阻标准直接集成到NIST-4基布尔天平中进行质量测量。以这种方式使用量子标准可以提高测量的准确性。该动画展示了量子霍尔阵列电阻标准的工作原理。附着在超导电触点上的石墨烯片(单层碳原子),当冷却到低温并置于强磁场中时,石墨烯中的电子开始闭环运动,这种现象称为量子霍尔效应。这种行为导致石墨烯具有特定的电阻,为测量NIST-4基布尔天平中的电流提供了绝对参考。动画来源:Sean Kelley /NIST

同时使用13个量子霍尔电阻单元可进一步增加新型QHARS可处理的电流量。

“线圈中的电流需达到大约700 μA,以悬浮100 g的质量,”Haddad说。“在砷化镓电阻标准中,这是做不到的”

为了证明这种新的量子电阻标准可以在NIST-4中工作,Haddad和她的团队一次使用多个量子霍尔阵列电阻标准设备,并将他们的结果与GaAs量子电阻标准间接进行比较。50 g质量测量的结果彼此非常一致。

新电阻标准的未来模型可能会有进一步的改进。传统的GaAs器件和石墨烯量子霍尔阵列电阻标准的工作条件都必须冷却到绝对零度以上几度,并暴露在强磁场中。有朝一日,可以开发出一种量子霍尔阵列电阻标准式设备,在室温和零磁场下工作,这将使整个系统更加紧凑。

此外,与旧的电阻标准不同,下一代量子霍尔阵列电阻标准是可编程的,这意味着仪器将更加通用:科学家可以使用一个设备来产生不同数量的电阻,具体取决于特定实验的需求。

“一种可编程,并能在室温、弱磁场下工作的量子电阻标准,是物理学家们下一步的研究方向”Haddad说。


科学家产生并测量迄今为止最短的电子脉冲

罗斯托克大学的科学家与斯图加特马克斯普朗克固态研究所的研究人员合作,通过使用超快激光闪光,产生并测量了迄今为止最短的电子脉冲。电子脉冲是通过使用激光从微小的金属尖端去除电子而产生的,持续时间仅为53阿秒(1阿秒为10-18秒)。这项研究在人造控制固体材料中的电流方面创造了新的速度纪录。

这项研究为提高电子和信息技术的性能以及开发新的科学方法以极快的速度可视化微观世界中的现象开辟了新的途径。

有没有想过是什么让您的计算机和其他电子产品的性能变慢或变快?这是由电子(我们微观世界中一些最微小的粒子)从电子微芯片晶体管内的微小引线流出并形成脉冲所需的时间决定的。加快这一过程的方法对于将电子产品及其应用推向最终性能极限至关重要。但是,电子电路中微小金属引线的电子流出的最短时间是多少?

通过使用极短激光闪光,由罗斯托克大学物理研究所极端光子学小组负责人Eleftherios Goulielmakis教授和斯图加特马克斯普朗克固态研究所的合作者领导的一组研究人员使用最先进的激光脉冲从钨纳米尖端喷射电子并产生迄今为止最短的电子爆发。

光脉冲从金属纳米尖端发射电子爆发,仅持续53阿秒。(图片:Eleftherios Goulielmakis)

虽然人们早就知道光可以从金属中释放电子,但爱因斯坦第一个解释了这个过程有多么的难以操纵。光的电场每秒改变其方向约一百万亿次,这使得控制它从金属表面分离出电子的方式具有挑战性。

为了克服这一挑战,罗斯托克的科学家和他们的同事使用了他们小组早期开发的一种现代技术 - 光场合成 - 这使他们能够将闪光缩短到不到自身场的完整摆动。反过来,他们利用这些闪光灯照亮钨针的尖端,将电子自由地敲入真空中。

“使用仅包含其场的单个周期的光脉冲,现在可以给电子一个精确控制的力,使它们在很短的时间内从钨尖端释放出来,”研究小组负责人Eleftherios Goulielmakis解释说。

但是,除非科学家们也找到一种方法来测量这些电子爆发的短暂性,否则这一挑战无法完成。为了应对这一障碍,该团队开发了一种新型相机,可以在激光将电子从纳米尖端推出并进入真空的短时间内拍摄电子快照。

“诀窍是使用第二个非常微弱的闪光,”这项新研究的主要作者Hee-Yong Kim博士说。“第二次激光闪光可以轻微地扰乱电子爆发的能量,以发现它在时间上的状态,”他补充道。“这就像游戏‘盒子里有什么?’玩家试图在不看物体的情况下识别它。只需转动它,用手感受它的形状”,他继续说道。

但是这项技术如何用于电子产品呢?“随着技术的快速发展,有理由期待微观电子电路的发展,其中电子在紧密排列的引线之间的真空空间中传播,以防止障碍物减慢它们的速度,”Goulielmakis说。“使用光喷射电子并在这些引线中驱动它们可以使未来的电子产品性能提高数千倍”,他进一步解释说。

但研究人员认为,他们新开发的方法将直接用于科学目的。“在光场循环的一小部分内从金属中喷射电子极大地简化了实验,并允许我们使用先进的理论方法来理解电子的发射,这是以前不可能实现的,”新出版物的合著者Thomas Fennel教授说。

“由于我们的电子爆发为拍摄材料中电子和原子运动的快照提供了出色的分辨率,我们计划使用它们来深入了解复杂材料,以促进它们在技术中的应用,”Goulielmakis总结道。



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