Metrologia kwantowa wkracza na nowy poziom. Jedno urządzenie zamiast trzech

Jedno urządzenie zamiast trzech. Koniec z kompromisami

Dotychczasowe metody pomiarowe przypominały trochę używanie trzech różnych instrumentów muzycznych do zagrania jednego akordu. Nowe rozwiązanie kwantowe łączy w jednym praktycznym systemie pomiary napięcia, natężenia i oporu, oferując przy tym precyzję niedostępną dla klasycznych metod. Problem zawsze tkwił w fundamentalnych różnicach technologicznych. Niektóre urządzenia wymagały potężnych pól magnetycznych, podczas inne były przez nie zakłócane. To zmuszało naukowców do pracy na kilku stanowiskach pomiarowych, co naturalnie wprowadzało dodatkowe źródła błędów.

Czytaj też: Nieśmiertelna fala z kanału Union. Odkrycie szkockiego inżyniera zmieniło oblicze fizyki

Klasyczne pomiary kwantowym efektem Halla wymagały pól magnetycznych od sześciu do dziewięciu razy silniejszych niż te w rezonansie magnetycznym. Taka intensywność uniemożliwiała współpracę z delikatnymi urządzeniami nadprzewodnikowymi, które po prostu nie wytrzymywały takich warunków. Kluczem do przełomu okazało się połączenie kwantowego anomalnego rezystora Halla (QAHR) z programowalnym standardem napięcia Josephsona (PJVS). Te dwie technologie wcześniej nie mogły współpracować ze względu na sprzeczne wymagania środowiskowe. Jak zauważają członkowie zespołu badawczego, łączenie tych dwóch systemów kwantowych w jedno urządzenie było wyzwaniem, ponieważ opierają się one na delikatnych zjawiskach kwantowych, które można zaobserwować tylko w niskich temperaturach.

Od laboratoryjnego cudu do praktycznego narzędzia

Przełom nastąpił dzięki odkryciu z 2013 roku, które pozwoliło na “namagnesowanie” próbki przy użyciu minimalnego pola magnetycznego. Po tym procesie pole można było całkowicie wyłączyć, co umożliwiło umieszczenie obu systemów w jednym kriostacie bez wzajemnych zakłóceń. Nowe urządzenie osiąga niepewności względne na poziomie zaledwie 3 mikroV V-1 dla napięć w zakresie 0,24-6,5 miliwolta. W praktyce oznacza to błąd rzędu kilku części na milion. Dla oporu elektrycznego system zapewnia realizację oma w zerowym polu magnetycznym z bardzo niskimi niepewnościami. Jeśli chodzi o pomiar prądu, urządzenie radzi sobie z zakresem 9,33–252 nanoamperów, osiągając najniższą niepewność 4,3 mikroA A-1 przy 83,9 nanoampera.

Czytaj też: Codzienna fizyka, której nie znaliśmy. Butelka ketchupu skrywała naukową rewolucję

Niestety, na razie technologia pozostaje zamknięta w świecie zaawansowanych laboratoriów. Urządzenie wymaga temperatury bliskiej zeru absolutnemu i dużego systemu chłodzenia, co skutecznie ogranicza jego zastosowanie do narodowych instytutów metrologicznych. Naukowcy pracują jednak nad miniaturyzacją systemu. Jeśli uda się znaleźć materiały kwantowe działające w wyższych temperaturach kriogenicznych, systemy chłodzenia mogłyby zmniejszyć się do rozmiarów domowej lodówki. Potencjalne zastosowania są dość oczywiste: od produkcji zaawansowanej elektroniki przez badania naukowe po diagnostykę medyczną. Technologia idealnie wpisuje się też w ramy Międzynarodowego Układu Jednostek po jego redefinicji w 2019 roku. Wtedy to jednostki elektryczne oparto na stałych fundamentalnych zamiast fizycznych obiektów. W ogólnym rozrachunku badania opublikowane w Nature Electronics otwierają drogę do całkowicie nowych sposobów definiowania standardów elektrycznych. To może oznaczać bardziej precyzyjne i wiarygodne dane w dziedzinach, w których dokładność pomiarów decyduje o sukcesie całych projektów.