квантовая метрология

КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ - наука об измерениях, базирующихся на квантовых явлениях. Осн. проблема К. м.- установление т. н. естеств. системы единиц физ. величин на основе фундам. констант [1, 2]. Гл. направления в К. м.: разработка и реализация квантовых эталонов (КЭ); установление соответствия между размерами единиц, воспроизводимых разл. КЭ, а также преемственности между ними и традиц. эталонами; выявление и изучение погрешностей КЭ, в т. ч. вызываемых ограничениями квантового характера (напр., неопределенностей соотношением); поиск квантовых явлений, в к-рых наиб. стабильно и с мин. погрешностью воспроизводятся значения фундам. констант и их комбинаций; уточнение и согласование их значений; развитие методов измерений с наивысшей точностью и мин. порогом чувствительности, основанных на квантовых явлениях.
КЭ единиц физических величин системы СИ. Единица времени (секунда) воспроизводится с помощью квантового цезиевого эталона частоты. Секунда определяется интервалом, в к-ром укладывается 9 192 631 770 периодов колебаний излучения, соответствующего квантовому переходу между уровнями сверхтонкой структуры атома ¹³³Cs с квантовыми числами F=4 и F=3. В состав национальных эталонов единиц времени и частоты помимо цезиевой атомно-лучевой трубки входят также КЭ на основе водородного генератора. Единица длины (метр). В течение более 20 лет единица длины поддерживалась с помощью КЭ на основе длины волны l излучения ⁸⁶Кr. С 1983 12-й Генеральной конференцией по мерам и весам рекомендовано новое определение метра, основанное на соотношении l=cn и канонизированном значении скорости света в вакууме с=299 792 458 м/с. Для реализации эталона используют, как правило, гелий-неоновый лазер, частота генерации к-рого n измеряется с помощью КЭ секунды. Это позволяет связать эталоны единиц времени и длины (см. Оптические стандарты частоты). Единица силы тока (ампер) воспроизводится измерением магн. индукции методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на протонах или лёгких ядрах (напр., ⁴Не). Магн. поле создаётся эталонной катушкой точно измеренной геом. конфигурации с рассчитываемым коэф. преобразования тока в индукцию поля. Воспроизведение ампера реализуется в соответствии с соотношением I =w/Kg', где w - частота сигнала ЯМР, К - постоянная эталонной катушки, g' - гиромагнитное отношение ядра. Для протонов g' отличается от идеального значения g=2m_р/h (m_р - магн. момент протона) поправками ~10^-5 вследствие экранировки протона в сферич. объёме Н₂0. Единица эдс (вольт) воспроизводится КЭ, основанном на Джозефсона эффекте [1, 3]; при этом используется соотношение

V = Nv(h/2e), (2)

где N - номер ступеньки на вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода (N ~ 10³, целое число), n - частота эл--магн. излучения, подаваемого на переход. Значение (h/2e) устанавливается в результате согласования значений фундам. констант [2]. Согласованное (1986) значение [4]: h/2e=2,06783461(61)310^-15 Вб. Единица электрич. сопротивления (ом). В КЭ используется квантовый Холла эффект .Воспроизводимое квантованное значение сопротивления выражается соотношением

R=h/pe² (3)

где р - целое число (номер плато в квантовом эффекте Холла), отношение h/e² связано с безразмерной постоянной тонкой структуры:

где m₀ - магн. проницаемость вакуума. Значение a может быть установлено независимо от размеров единиц, поддерживаемых эталонами, напр., из измерений аномального магн. момента электрона. Согласованное (1986) значение: a^-1=137,039895(61) [4].
Методы измерений с наивысшей точностью и минимальным порогом чувствительности. Наиб. широко применяется эффект Джозефсона. На основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (сквидов)разработаны методы измерений, порог чувствительности к-рых снижен вплоть до ограничений фундам. характера. Сюда относятся, напр., пиковольтметры (порог чувствительности 10^-14 В), пикоамперметры (10^-15 A), веберметр (10^-19 Вб, т. е. ~ 10^-5 кванта потока). Из др. КЭ следует отметить эталоны, основанные на туннельном эффекте, позволяющем в сканирующем туннельном микроскопе достичь при исследовании профиля поверхности разрешающей способности порядка атомных размеров. Лит.: 1) Современная система эталонов единиц электрических величин на основе фундаментальных физических констант и стабильных физических эффектов, М., 1977; 2) Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1981; 3) Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1980; 4) С о h е n Е. R., Taylor В. N., The 1986 adjustment of the fundamental physical constants, "Revs Mod. Phys.", 1987, v. 59, p. 1121; 5) Краснополин И. Я., Пудалов В.М., Семенчинский С. Г., Физический репер сопротивления на основе квантового эффекта Холла, "Приборы и техн. эксперимента", 1987, № 6, с. 5. В. М. Пудалов.

   <<      Предметный указатель      >>