Физики обосновали спасение килограмма эффектом Холла

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

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.

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).



Новое зеркало нарушило закон отражения лучей

2 сентября 2011

Физики предсказали нейтроны в форме куба

17 августа 2011

Предложено самое нетривиальное объяснение тёмной материи

12 августа 2011

Физики создали акустический диод

1 августа 2011

Американцы презентовали звуковую шапку-невидимку

29 июня 2011
  • 123 15  19 сентября, 20:43
    Прошли бы они по базарам. У некоторых продавцов «эталонный» килограмм полегчал грамм на 200-300. Вот бы они удивились :)
    А теперь все. Пришел на базар, замерил сопротивление Холла гири и сразу раскусил мошенников. :)
    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  20 сентября, 06:37
    Забавно устроен наш мир: масса точнее всего измеряется через электромагнитные взаимодействия.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Иорданишвили  20 сентября, 11:04
    А что же тут забавного?:) Забавно как устроены наши знания) Вот что забавно) Не зная целого придумываем себе константные части)) Вот это забавно) Со временем многое проясняется...)
    ОтветитьНравится
  • Лев Черемухин  20 сентября, 11:10
    масса измеряется опосредованно через вес, который даже в разных точках земли — разный
    я вообще в шоке с этой физики
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  20 сентября, 11:35
    Лев, прежде, чем выкладывать всем своё недоумение, лучше покопать детали в Сети. Да, ватт-баланс меряет вес объекта, но через него можно определить и массу, поскольку (цитата) «Вес килограмма затем используется для вычисления массы килограмма за счет точного определения локального гравитационного ускорения (в месте, где стоит прибор) с помощью метода, который _не зависит_ от определённой массы».
    ОтветитьНравится
  • Лев Черемухин  20 сентября, 13:59
    об этом я как-то не подумал... спасибо)
    ОтветитьНравится
  • Алексей Теплов  20 сентября, 13:00
    Т.е. весы будущего будут высчитывать ватт-баланс объекта и локальное гравитационное ускорение прямо на месте и выводить данные пользователю? Я уже представляю арбузные развалы будущего :D
    ОтветитьНравится
  • Ваня Крейцер  20 сентября, 17:11
    При этом не забываем скрещивать пальцы и надеемся, что гравитационное взаимодействие не будет учитываться при «взвешивании» арбуза, что покупать мы будем именно килограммы массы, но не силы. =)
    ОтветитьНравится
  • Ильшат Тагиев  21 сентября, 13:03
    А гравитация планеты у нас сама стабильность, что вес тела конечно ни за что не изменится при одном и том же теле.
    ОтветитьНравится
  • Александр Лалетин  10 октября, 22:20
    Гравитация способна довольно быстро и в значительной степени изменяться. В далеком космосе могли происходить, либо увеличение столкновений ЧД, либо уменьшение этих столкновений. Фронт эфирных излучений подобных аномалий, либо усиленный, либо ослабленный, достигнув земли довольно сильно может изменить эфирное давление от которого на прямую зависит гравитация. Одновременно может произойти, так же усиление или ослабление распада вещества на поверхности ЧД находящейся в центре земли. Если эти аномалии совпадут по своему действию, то есть внешнее излучение ослабнет а внутреннее усилится или наоборот, то изменение силы гравитации может быть довольно значительным. Но, гравитационное давление на столько всеобемлюще влияет на все процессы, что никакие измерения никаких констант не изменятся. Изменится только отношение объема составляющих вещества фрагментов материи(которые сохраняют свой объем вечно неизменным) к объему вещества, который изменяется как надутый шарик при изменении давления среды. Но это отношение мы не способны измерять и наблюдать.
    Так что в изменении констант гравитация не участвует, следует искать иные причины.
    ОтветитьНравится