摘要：“非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂系统产生重大影响，”维尔茨堡大学 （JMU） 拓扑绝缘子研究所的物理学家 Charles Gould 教授解释说。

CCC 设置和典型的 Allan 偏差。图片来源：自然 （2024）。DOI： 10.1038/s41928-024-01295-w

维尔茨堡大学和德国国家计量研究所 （PTB） 的科学家们进行了一项实验，实现了一种新的电阻量子标准。它基于量子异常霍尔效应。

该工作已发表在《自然》杂志上。

电阻的精确测量在工业生产或电子产品中至关重要，例如，在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中。

“非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂系统产生重大影响，”维尔茨堡大学 （JMU） 拓扑绝缘子研究所的物理学家 Charles Gould 教授解释说。

科学家们现在首次通过实验实现了一种所谓的量子电阻标准，该标准可以在没有外部施加磁场的情况下运行。

“在物理学中，标准品被用作精确测量物理量和校准测量仪器的固定参考点，”Gould 说。“量子标准基于量子力学的不变原理运行，这使得它非常稳定。”

许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应：当电流流过导体并暴露在磁场中时，会产生电压，即所谓的霍尔电压。将此电压除以电流产生霍尔电阻。

它随着磁场的增强而增加。在几纳米以下的极细导体中（相比之下：人的头发大约有 100,000 纳米厚）并且在非常强的磁场下，电阻不再持续增加，而是始终达到相同的固定值（具有通用值的离散步骤，并且独立于任何设备属性）。

这被称为量子霍尔效应 （QHE）。QHE 中的电阻具有普遍价值，这一事实使其成为确定电阻标准的理想基础。

量子反常霍尔效应 （QAHE） 的特殊之处在于它允许量子霍尔效应存在于零磁场中。

“在没有任何外部磁场的情况下操作不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量（千克）时也具有优势。要定义一千克，必须同时测量电阻和电压标准，“Gould 说，”但测量电压标准只能在没有磁场的情况下工作，因此 QAHE 是理想的选择。

到目前为止，在零外部磁场下对 QAHE 的测量缺乏现代量子计量应用所需的精度。新的测量首次将无磁场 QAHE 标准与早期基于 QHE 的传统电阻标准相提并论，达到了必要的精度阈值。

到目前为止，没有外部磁场的量子电阻标准仍然仅限于极低的温度和低电流。为了使该标准在未来可用于商业用途，例如用于工业，需要进一步改进该实验。

因此，Gould 的维尔茨堡团队继续与德国布伦瑞克的德国联邦物理技术研究院 （PTB） 以及作为欧洲计量联盟 QuAHMET 一部分的国际研究人员共同努力。

更多信息：D. K. Patel 等人零磁场量子电阻标准为 10-9水平，自然 （2024）。DOI： 10.1038/s41928-024-01295-w

期刊信息： Nature

来源：量子科技资讯