中国的量子化霍尔电阻标准

中国计量 !"!""! #" 科研与实践 #$世纪上半叶以前! 各国建立 了经典的计量基准" 这些计量基准 一般是根据经典物理学的原理!用 某种特别稳定的实物来实现! 故称 为实物基准" 电压单位和电阻单位 是电学计量中的基本单位! 与电阻 单位相应的实物基准是保存在巴黎 国际计量局中的一组标准电阻线 圈! 用其电阻值的平均值保持电阻 单位%!" 每三年一次!各国把自己 的标准电阻量值送到巴黎与国际计 量局的维持%!电阻单位的电阻实 物基准线圈比对! 并根据比对所得 的差值修正自己的国家标准量值" 但是实物基准有其不足之处! 因为 这些实物基准一旦制成后! 总会有 一些不易控制的物理# 化学过程使 其特性发生缓慢的变化! 因而它们 所保存的量值也会有所改变" #$世 纪&$到’$年代用澳大利亚的计算电 容装置对国际计量局保存的电阻实 物基准进行了#$多年的考察! 证实 此种电阻实物基准以每年&!%$(’的 速率逐年下降"因此!三年一次的电 阻单位国际比对仅在保持电阻单位 的国际统一方面有所贡献! 对于维 持电阻单位的稳定不变方面则并未 起到效果"另一方面!最高等级的实 物计量基准全世界只有一个或一 套!一旦由于天灾#战争或其他原因 意外损坏! 就无法完全一模一样地 复制出来! 原来连续保存的单位量 值也会因之中断"针对这些问题!#$ 世纪下半叶国际上开始了利用量子 物理学的成就研制量子计量标准的 努力!并取得了相当大的成功"对于 电阻单位!#$世纪’$年代中根据德 国物理学家冯$克里青的重大发现 研制成了量子化霍尔电阻标准" 经 国际计量委员会推荐!%""$年%月% 日起在世界范围内启用量子化霍尔 电阻标准代替使用了几十年的电阻 实物基准" 给出的量子化霍尔电阻 的推荐值为 !"!#)$#"#*’%#+’$,! -%. 此处的!"称为 %冯$克里青常 数&" 目前除国际计量局外!已有英# 美#法#德#日#加#瑞士等,家国家级 计量实验室建成了量子化霍尔电阻 标准"实验证明!采用量子化霍尔电 阻标准后! 电阻单位量值的复现准 确度及国际一致性比用实物计量基 准时提高了两个数量级以上! 而且 从根本上消除了电阻单位的量值随 时间变化的现象" 国际计量委员会还建议! 未能 建立量子化霍尔电阻标准的国家! 可就近到具有此种标准的国家去溯 源电阻量值" 因此能否建立量子化 霍尔电阻标准! 关系到一个国家的 计量体系是否独立完整" 中国计量 科学研究院经过十几年的努力!在 #$$/年建成了量子化霍尔电阻标准 装置" 课题组自主研制了能满足实 际量值传递工作 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的量子化霍尔 器件和把量子化霍尔电阻量值传递 到日常检定工作中使用的十进制电 阻的低温电流比较仪! 并有多项独 创性的成就" 所建标准的不确定度 达到%$0%$量级!跃居国际领先水平" 一#量子化霍尔器件 图% 量子化霍尔器件 量子化霍尔器件是课题中的核 心部分"图 %为此种器件的示意图" 当把此器件通入沟道电流 %!并放入 强磁场 &’中时! 器件的两个侧边之 间将产生霍尔电压 ()!如再使器件 的温度降到绝对零度附近! 器件中 国际计量委员会推荐!!""#年!月!日起在世界范围内!启用量子化霍尔电阻标准代替电阻 实物基准" 中国计量科学研究院经过十几年的努力! 在$##%年建成了量子化霍尔电阻标准装 置!并于$##&年通过了鉴定"课题组自主研制了能满足实际量值传递工作要求的量子化霍尔器 件!并建成了高精度的低温电流比较仪!以把量子化霍尔电阻量值传递到日常检定工作中使用 的十进制电阻"课题成果中有多项独创性的成就"目前所建量子化霍尔电阻标准的不确定度达 到!#’!#量级!跃居国际领先水平" 中国的量子化霍尔电阻标准 !中国计量科学研究院 张钟华院士 贺 青 李正坤 刘 勇 技 术 篇 科研与实践 电子的热运动基本停止! 霍尔电压 就出现"量子化#的特征!图 ! 就是 这种情况下器件的特性曲线$ 可以 看到! 霍尔电压 !"与磁感应密度 # 的关系曲线上出现了一系列的平 台$ 平台处的霍尔电压 !"与沟道电 流 $的比值!即霍尔电阻 %"!满足下 面的公式% !" $ !%"! %& ’ ! " ’ !#$"!!$%&! ’!"!!!’& ’!( 其中的 %&就是式’"(中的冯)克 里青常数!’ 为平台的编号数 ’实际 上为量子力学中电子在磁场中的回 转能级(朗道能级的编号数(! 因而 是一个正整数$对于用砷化镓(铝砷 化镓异质结 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 制作的量子化霍尔 器件! 第 ! 个朗道能级平台处可得 到最准确的量子化霍尔电阻量值! 此时的量子化霍尔电阻值为 %""" # !$!#$"!($%&! ""!)%*(+%’#! ’’( 应国际计量委员会成员国的要 求!国际计量局请法国的飞利浦电子 公司’,-.(研制了一批用砷化镓/铝 砷化镓异质结材料制作的量子化霍 尔器件!分发给各会员国$ 中国计量 科学研究院得到了 * 个量子化霍尔 器件!对初期的课题工作有很大的帮 助$为了使我们的量子化霍尔电阻标 准更为独立自主!课题组与国内协作 单位一起研 制成了国产 的量子化霍 尔器件 !在 ’$"% /) 的数 据分散性范 围内!给出的 量子化霍尔 电阻值与从 国际计量局 发给的量子 化霍尔样品 得到的结果相一致!已完全满足实际 量值传递工作的要求$ 二*低温电流比较 仪 按国际计量委员 会的建议!世界各国均 用由’"(式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的量子 化霍尔电阻的推荐值$ 使用砷化镓/铝砷化镓 异质结材料的量子化 霍尔器件时! 则用’’( 式中的量子化霍尔电 阻量值$为了便于开展 检定工作!应把’’(式中的非整数的 量子化霍尔电阻值传递到通常的十 进制电阻值$ 为此课题组研制成了 高准确度的低温电流比较仪$原理及 结构图如图 ’所示$低温电流比较仪 的比例线圈是由超导线绕成的!不平 衡磁通则由超导量子干涉器’英文缩 写为 01234(进行检测$ 超导线圈以 及 01234需在接近绝对零度的低温 环境下才能工作!因此低温电流比较 仪需放入杜瓦瓶中! 并充以液氦!方 能正常工作$ 由低温电流比较仪构成的用于 比较量子化霍尔电阻与 "%%! 电阻 量值的电桥如图 + 所示$ 低温电流 比较仪的平衡方程为 $")""$!)!!% 5+6 如平衡方程未能得到完全满 足!则此式成为 $")""$!)!!! 7#8 其中 ! 表示安匝数的不平衡 量$ 此不平衡量为图 " 中标为 * 的 线圈检测到以后送入超导量子干涉 器 ’01234( 的输入线圈 *’! 再经 01234 及后续的电子线路放大!去 调节电桥中的从动电流源! 使平衡 方程得到满足$ 当低温电流比较仪通过从动电 流源的反馈系统达到平衡状态时! 低温电流比较仪的安匝数平衡方程 式’#(的右边仍不会等于零$ 因为 ! 中还包括了噪声及干扰等随机分 !""! #" 中国计量 #% 技 术 篇 技 术 篇 量!实验说明"这些随机分量主要是 由于放置低温电流比较仪的杜瓦瓶 中的液氦不断沸腾导致瓶中气压波 动而引起的! 从式#!$可看到"如能 增加此式中的有用信号 !""" 和 !#"$" 误差项 ! 中随机分量的相对 影响也能缩小"即信噪比可以增加% 因此增加低温电流比较仪的安匝 数" 即增加绕组中的电流或增加绕 组匝数" 也能有效地改善测量准确 度! 但是当低温电流比较仪用于比 较电阻时" 绕组中的电流并不能随 意增加! 因为绕组中的电流同时也 通过被测电阻" 电流过大会引起电 阻发热而导致新的测量误差! 另一 方面" 增加绕组的匝数也受到了限 制! 国外文献中的低温电流比较仪 用于比较量子化霍尔电阻与 %&&! 标准电阻时"""一般只能用到 $&&& 多匝" 再增加时会引起反馈系统的 不稳定而产生测量电流的跳跃"使 测量过程被迫中断! 目前尚未见到有文章对上述的 电流跳跃现象进行论述!课题组已阐 明了低温电流比较仪中发生电流跳 跃的物理过程!产生电流跳跃现象的 根本原因在于图 ’&( 中的不平衡磁 通检测器件 )*+,- 是一种量子器 件! 器件特性具有一系列的平衡位 置" 彼此之间相隔整数个量子磁通! 反馈系统静止时是对应 )*+,-的某 一个平衡位置! 另一方面"低温电流 比较仪中一般需使用前馈环节进行 补偿" 使反馈回路不易产生寄生振 荡! 但前馈环节是按照直流电路"也 就是稳态电路设计的! 对于暂态过 程"由于低温电流比较仪的绕组中存 在着分布电容和分布电感"前馈环节 的补偿作用并不完全!即在暂态过程 中由于前馈回路的失调而使反馈回 路的瞬间输入量可能达到一定的数 量" 从而把 )*+,-推到了别的平衡 位置处" 引起了 电流跳跃! 在了 解了电流跳跃产 生 的 物 理 原 因 后" 课题组提出 了一些有效的解 决方法" 解决了 这个问题! 因此" 课题组可以大幅 度地增加比例绕 组的匝数! 在比 较量子化霍尔电阻与 %&&! 标准电 阻时""%."#增加到了 %/%’’.%#!"工 作仍很稳定" 未产生电流跳跃现象! 与国外文献中的 #&/!.%/相比"有用 信号提高了 0倍!信噪比也有了同样 倍数的提高!从而使测量准确度得到 了大幅度的改善! 把比较量子化霍尔电阻与 %&&! 标准电阻时所用的比例绕组 匝数从国外所用的 #&/!.%/ 提高到 %/%’’.%#!" 还带来另一个很大的好 处! 式’’$表示第 #个朗道能级平台 处准确的量子化霍尔电阻量值!因此 比较量子化霍尔电阻与 %&&! 标准 电 阻 时 的 准 确 比 例 应 该 是 %#12&/(&’!! 国外所用的匝数比 #&/!.%/的数值为 %#12&/#!" 与理想 值 %#12&/(&’!之间相差 %2#!%&3!! 也 就是说"即使图 (中的 %&&!标准电 阻没有误差"电桥也不能平衡! 为了 解决这个问题"要设计复杂的补偿电 路! 这样的补偿电路也不会完全准 确"其误差会带来附加的测量误差! 我们所用的匝数比 %/%’’.%$! 的数 值为 %$12&/("与理想值 %$12&/(&’! 的差别仅为 $24!%&34"比国外比例的 误差小了 (( 倍"因而补偿电路带来 的附加测量误差也大大缩小了! 由于取得了上述的一系列进 展" 我国的量子化霍尔电阻标准的 不确定度达到了如下的水平( 量子化霍尔电阻标准装置 ( &2$(!%&31’#5%$ 量子化霍尔电阻传递到 %&&!( &2(0!%&31’#5%$ 量子化霍尔电阻传递到 %!( &24$!%&31’#$%$ 表 % 是国际计量局 $&&( 年公 布的若干已建成量子化霍尔电阻标 准的实验室测量电阻的不确定度" 数据相应于 #5$% 不难看到"我国的 量子化霍尔电阻标准的水平处于国 际领先地位% $&&&年 %&月"日本 678的中西 正和博士带了 ’ 个 %! 标准电阻到 计量院来%’个电阻事先用 678的量 子化霍尔电阻标准标定过%到计量院 后再用我们的量子化霍尔电阻和低 温电流比较仪测量%然后再回到日本 重新测量% 最后结果表明"计量院和 678 分别用各自的量子化霍尔电阻 和低温电流比较仪测量 %! 标准电 阻的差别仅为 %2’9! ’即 %2’!%&31$% 这在一定程度上反映了我国用量子 化霍尔电阻标准复现的电阻单位量 值与国际上的一致性% 今后"我们应 该让我国的量子化霍尔电阻标准为 电阻量值的检定和溯源工作服务"并 争取机会多参加国际比对"使我国的 量子化霍尔电阻标准进一步在应用 中接受考核" 为国家的计量事业作 出更多的贡献% 中国计量 !%!""! #" 表 # 各实验室量子化霍尔电阻标准的不确定度 计 科研与实践 技 术 篇