Квантові ефекти та еталони електричних одиниць на їх основі

Відкриття квантових ефектів (у порядку хронології): ядерного магнітного резонансу (Блох, Парсель*, 1946 р.), Джозефсона** (1962 р.), Холла (Клітцинг***, 1980 р.) зробило, без перебільшення, революцію в метрології в галузі електрики. З’явилася реальна можливість кардинально підвищити точність відтворення ряду електричних одиниць.

Ефект ядерного магнітного резонансу (ЯМР) дозволяє визначити індукцію магнітного поля шляхом вимірювання частоти прецесії f системи атомних ядер у зразку речовини, яку поміщено в магнітне поле [30 – 31]:

, (4.1)

де − гіромагнітне відношення робочої речовини.

Найбільш широко для вимірювання використовуються ядра водню – протони та їхнє гіромагнітне відношення , що є однією з фундаментальних фізичних сталих (ФФС).

Ефект Джозефсона дозволяє відтворювати значення постійної напруги шляхом опромінення спеціальної надпровідної структури, що знаходиться в кріогенному середовищі, НВЧ-сигналом частотою відповідно до виразу [32, 34]

, (4.2)

де − стала Джозефсона; 1, 2, 3 … – ціле число.

Квантовий ефект Хола також реалізується за допомогою спеціальної надпровідної структури, поміщеної в магнітне поле, дає можливість відтворювати фіксовані значення електричного опору [33]

, (4.3)

де − константа Клітцинга; .

Говорячи про квантові ефекти, згадаємо також про ефект “одноелектронного тунелювання” або ефект Ліхарева (у витоків ефекту стояв російський учений Ліхарев). Цей ефект виявляється у виникненні сходинок на осі струму вольтамперних характеристик надпровідних джозефсонівских переходів малої ємності при їхньому опроміненні СВЧ-полем (у відмінності від класичного джозефсонівского ефекту, де ці сходинки мають місце на осі напруги). При цьому відстань між сходинками (тобто значення сили струму ) залежить лише від частоти електромагнітного поля і сталої – заряду електрона : . Це відкриває шлях до побудови квантового еталона ампера на основі цього ефекту. Оскільки квантові еталони вольта й ома вже існують, створення квантового еталона ампера дозволить замкнути так званий “трикутник квантових еталонів” (рис. 4.2), що може стати серйозним імпульсом до подальшого розвитку метрології в електриці.

Експериментально спостерігалися сходинки струму на вольтамперних характеристиках надпровідних гранульованих плівок з олова на частотах порядку 90 ГГц. За даними PTB, там удалося відтворити струм порядку 1 нА на частоті опромінення 4,7 ГГц (похибка не наводиться). Експериментальні дані, проте, поки дуже скромні і не дозволяють розглядати питання про практичну побудову еталона. Однак, провідні світові центри метрології продовжують роботи в цьому напрямку.

Рис. 4.2. “Трикутник” квантових еталонів

Як вже було сказано, відкриття квантових ефектів і створення на їх основі принципово нових еталонів дозволило побудувати нову систему еталонів в галузі електрорадіовимірювань.