1.4 Квантовая метрология

При создании системы единиц ФВ всегда стремились в качестве эталонов брать так называемые естественные константы, которые мало зависели от внешних условий и были бы максимально стабильными.

В начале XX в. немецкий физик М.Планк показал, что основные единицы могут быть составлены из фундаментальных физических констант: скорости света С, постоянной Планка ћи гравитационной постоянной. Значения этих констант фигурируют в виде коэффициентов в уравнениях основных физических теорий - классической и квантовой электродинамике и общей теории относительности. Зная эти константы, можно вычислить единицы длины

времени

и массы

Однако, планковские единицы лежат очень далеко от используемых на практике диапазонов. Кроме того, значение гравитационной постоянной, как и постоянной Планка, до сих пор известно с недостаточной точностью. Но самым главным недостатком планковских единиц является то, что они не воспроизводятся с помощью реальных физических объектов. Именно поэтому планковские единицы до сих пор не используются в метрологии.

Реальная возможность создания универсальной системы естественных мер появилась после открытия так называемых макроскопических квантовых эффектов: Джозефсона, Холла, Мейснера, Мёссбауэра.

1.4.1 Эталон вольта на эффекте Джозефсона

Эффект Джозефсона возникает в контактах двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 - Схематическое изображение джозефсоновского перехода

Как известно, в вакууме электроны отталкиваются друг от друга по закону Кулона. В твердом теле, помимо электронов, имеются положительно заряженные ионы решетки. Притягиваясь к электронам, они экранируют их заряд. В некоторых веществах при достаточно низких температурах суммарное взаимодействие электронов может соответствовать их слабому притяжению. В этом случае электроны образуют так называемые куперовские пары. Такие пары, в отличие от отдельных электронов, имеют нулевой спин (т.е. подчиняются статистике Бозе). Это позволяет большому числу пар скапливаться в одном и том же квантовом состоянии. Если средняя скорость куперовских пар отлична от нуля, т.е. существует незатухающий электрический ток, то говорят, что имеет место явление сверхпроводимости.

Если приложить к двум сторонам Джозефсоновского перехода разность потенциалов U, то при туннелировании куперовской пары электронов из одного сверхпроводника в другой избыток ее энергии 2eUизлучается в виде кванта света - фотона. Частота₀этого кванта определяется законом сохранения энергии:

h₀=2eU.

Это явление называется нестационарным эффектом Джозефсона.

Если наоборот, облучать джозефсоновский переход излучения частотой , то при совпадении этой частоты с характерной для данного напряженияUчастотой_0,возникает резонансное взаимодействие. Такой же резонанс наступает при₀=/n, гдеn - любое целое число, в результате чего на вольт-амперной характеристике перехода появляются особенности (рис. 1.12) в виде ступенек при напряжениях

Рисунок 1.12 - Вольтамперная характеристика джозефсоновского перехода

Заряд электрона еявляется такой же фундаментальной физической константой, как и упоминавшиеся вышеh,c,. Величина h/2е, называемая квантом магнитного потока, значение которой определяется с большей точностью, чем значенияhиев отдельности. Поскольку частота в настоящее время является наиболее точно измеряемой величиной, точность воспроизведения напряжения с помощью эффекта Джозефсона ограничивается точностью значенияh/2е. Стандартное отклонение при воспроизведении вольта составляет в настоящее время 5^.10^-9.

На основании эффекта Джозефсона выполнены эталоны единиц напряжения - вольта во всех промышленно развитых стран с начала 1980 г. В состав эталона обычно входит дискретный переход, возбуждаемый СВЧ- излучением на частоте 8...10 ГГц, Значение квантованного напряжения составляет при этом 4...10 мВ. Столь низкое значение воспроизводимого напряжения вынуждает включать в состав эталона масштабные преобразователи напряжения различной конструкции и нормальные элементы, приводящие к потере точности. В связи с этим, в самое последнее время были созданы интегральные схемы, включающие в себя порядка 1000 переходов Джозефсона и позволяющие воспроизводить напряжение непосредственно в 1 В и выше.

Из общефизических соображений и проведенных экспериментов следует, что стабильность эталонов на основе эффекта Джозефсона может достигать 10¹⁶, что открывает широкие перспективы для совершенствования естественного эталона вольта.