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.

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).

Результаты исследований опубликованы в статье:

*T J B M Janssen, N E Fletcher, R Goebel, J M Williams, A Tzalenchuk, R Yakimova, S Kubatkin, S Lara-Avila and V I Falko Graphene, universality of the quantum Hall effect and redefinition of the SI system. – New Journal of Physics. – 09. 2011. – V.13. – 093026 doi:10.1088/1367–2630/13/9/093026.