NIST-4 基布尔天平是一种机电机器，可测量大约 1 kg 的物体质量。在这里，您可以看到摆轮的顶部，其中包括一个随着摆轮两侧移动而来回旋转的轮子。在图像左侧可以看到一组细电线，将电磁线圈（未附图）连接到天平的其他关键部件。顺便说一下，细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。
Credit: 詹妮弗·劳伦·李/NIST
在美国国家标准与技术研究院（NIST）一个明亮的地下实验室里，坐着一台房间大小的机电机器，称为NIST-4基布尔天平。
该仪器已经可以测量大约1公斤重的物体质量，大约与一夸脱牛奶一样重，与世界上任何设备一样精确。但是现在，NIST研究人员通过添加定制设备进一步提高了Kibble天平的性能，该设备提供了电阻的精确定义。该器件被称为量子霍尔阵列电阻标准（QHARS），它由一组较小的器件组成，这些器件使用量子物理学的怪癖来产生极其精确的电阻量。研究人员在Nature Communications论文中描述了他们的工作。
这一改进应该有助于科学家使用他们的天平以高精度测量小于1千克的质量，这是其他基布尔天平以前没有做到的。
NIST-4 测量值用于帮助科学家在 2019 年重新定义千克，这是国际单位制 （SI） 中的基本质量单位。从市场产品到感冒药中的成分，所有必须称重的东西都依赖于这种新的质量定义。
新的定制QHARS设备是测量标准的一个例子 – 与物理量（如长度，时间或亮度）具有某种预定义关系的物体或仪器。在这种情况下，标准是使用量子原理产生精确电阻的电气设备。然后，产生的阻力可作为基布尔天平操作期间的参考。
科学家们首次将量子电阻标准直接集成到使用独一无二的NIST-4基布尔天平进行的质量测量中。以这种方式使用量子标准可以提高测量的准确性。该动画显示了称为QHARS的新量子电阻标准的工作原理。QHARS装置使用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。
Credit: 肖恩·凯利/NIST
在这项工作之前，NIST-4基布尔天平依赖于不同的标准仪器，该仪器也提供了电阻的精确定义。但由于技术原因，该设备无法直接纳入天平。
为了解决这个问题，研究人员不得不采用另一个物体 – 称为伪像 – 并使用标准来校准或评估该伪影。然后，他们将工件直接与NIST-4 Kibble天平一起使用。
新设置消除了对电阻伪影的需求，提高了天平的准确性。
“做额外的校准电阻器的步骤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标准而不是人工制品，所以我们完全消除了校准步骤。这降低了电阻的不确定性，“这意味着阻力的准确性有了显着提高。
“当前”困境
NIST-4 基布尔天平机的工作原理是比较机械力和电磁力。简而言之，一个质量位于天平上，重力将其拉下。然后，研究人员将电流泵送通过位于磁场中的线圈，电流将质量向上推，有效地将其悬浮在半空中。科学家测量漂浮物体所需的电流量，精确平衡它。如果你能测量电流，你就可以计算出物体的质量。
但要做到这一点，测量科学家需要准确知道有多少电流以高精度流过线圈。他们通过测量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克或100克质量）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校准物体的电阻，然后将其插入NIST-4并用于实际测量。
构成 QHARS 设备的单元阵列的特写。坐在黄金平台上的电子芯片长约7毫米，宽约3.5毫米，大约是铅笔橡皮擦的大小。
Credit: 阿里雷扎·帕纳/NIST
新的QHARS救援
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：QHARS。代替GaAs，该仪器由石墨烯制成 – 单原子层厚的碳原子片多年来一直是一个热门话题，因为它在各种用途中的承诺，包括更快和灵活的电子产品。
NIST开发的新型石墨烯QHARS将电流并联通过13个较小元件的阵列。这些元素的工作原理是所谓的量子霍尔效应，其中电阻被“量子化”——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。（请参阅动画。
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。
“我们需要大约700微安[百万分之一安]在线圈中流动，以悬浮100克的质量，”Haddad说。“在砷化镓电阻标准中，你不能这样做。
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QHARS设备，并将他们的结果与GaAs量子电阻标准间接进行比较。50克质量测量的结果彼此非常一致 – “它就像它得到的那样好，”Haddad说。
新电阻标准的未来模型可能会有进一步的改进。为了工作，传统的GaAs器件和石墨烯QHARS都必须冷却到绝对零度以上几度，并暴露在自己的高磁场中。有朝一日，可以开发出一种QHARS式设备，可以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QHARS可以是可编程的，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。
“一种可编程的量子电阻标准，在室温下以低磁场工作：这就是物理学家试图推动的，”哈达德说。
— 由Jennifer Lauren Lee报道和撰写
论文：Frank C. Seifert, Alireza R. Panna, I-Fan Hu, Lorenz H. Keck, Leon S. Chao, Shamith U. Payagala, Dean G. Jarrett, Chieh-I Liu, Dipanjan Saha, Randolph E. Elmquist, Stephan Schlamminger, Albert F. Rigosi, David B. Newell and Darine Haddad. A macroscopic mass from quantum mechanics in an integrated approach. Nature Communications. Published Dec. 10, 2022. DOI: https: 10.1038/s42005-022-01088-7
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