Сфера метрологии, науки об измерениях, претерпела значительные изменения в последние годы. С 2019 года традиционные эталоны уступили место фундаментальным физическим константам, таким как скорость света, постоянная Планка, заряд электрона и другим, составляющим основу мироздания.
В результате, для определения электрических единиц требовалось применение двух квантовых устройств, что влекло за собой сложные и дорогостоящие процедуры, часто выполняемые в разных лабораториях. Однако, американские физики совершили прорыв, сумев объединить эти квантовые эталоны в один прибор. Об этом достижении подробно рассказано в журнале Nature Electronics.
"Идея объединения двух квантовых стандартов всегда была своего рода святым Граалем. Мы долго шли к этому — можно сказать, катили камень в гору, как Сизиф", — признался Джейсон Андервуд из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде.
Объединение этих устройств оказалось непростой задачей, обусловленной крайней хрупкостью квантовых явлений, которые можно наблюдать только при очень низких температурах. Для поддержания этих температур необходимы специальные холодильники, криостаты. К тому же, одно из устройств требовало магнитного поля, что нарушало работу другого.
Новый метод, получивший название "все в одном”, решил эту проблему за счет использования инновационного материала, способного выполнять свои квантовые функции без магнитного поля. Благодаря этому, две квантовые системы, которые ранее требовали раздельного размещения, теперь могут функционировать в одном криостате. Команда ученых успешно применила это устройство для определения ампер, омов и вольт, достигнув погрешности всего в несколько миллионных долей каждой единицы.
Несмотря на впечатляющую точность, есть потенциал для ее дальнейшего улучшения. Для этого предстоит решить проблему взаимного нагрева двух систем и их электрических цепей. Кроме того, продолжается работа над совершенствованием пока еще "незрелого” квантового материала, который позволяет обеим системам функционировать совместно, добавляет Линдси Роденбах из Стэнфордского университета в Калифорнии.
Несмотря на перспективность, дальнейшие эксперименты сталкиваются с трудностями финансирования, как сетует Андервуд. Но, тем не менее, жизнеспособность концепции доказана, что является главным достижением.
Сусмит Кумар из Норвежской метрологической службы называет новое устройство "впечатляющим инженерным достижением", которое способно сделать квантовые электрические стандарты более экономичными и доступными для ученых и разработчиков технологий по всему миру.
"Международная система единиц — это общий язык, который используют все ученые и инженеры. Необходимо сделать его как можно более полезным", — подчеркнул Ричард Дэвис, вышедший на пенсию из Международного бюро мер и весов.
По его мнению, усилия по объединению различных устройств, используемых в настоящее время, несомненно, усилятся в будущем.
Три интересных факта о системе СИ: