Міжнародна система одиниць СІ стоїть на порозі найсерйознішого коректування за останні півстоліття. Але щоб таке коректування відбулося, необхідно переконатись, що запропоновані зміни гранично коректні з погляду науки. Вчені з Великобританії, Франції та Швеції виконали найточніше вимірювання цілочисельного квантового ефекту Холла у різнорідних матеріалах, включаючи такий екзотичний, як графен. Дослідники показали, що даний ефект здатний служити базою для нового визначення кілограма.

Фізики давно говорять, що еталон кілограма потрібно рятувати. Виготовлений із платини та іридію циліндр, що зберігається у Парижі у Міжнародному бюро мір та ваг, за останні 60 років схуд на якісь долі мікрограма (що було виявлено порівнянням еталону з безліччю його більш пізніх копій).

З побутової точки зору це майже невагома втрата, але для науки така втрата цілком не прийнятна: на еталон опирається занадто багато найтонших експериментів, що намагаються розкрити основи світобудови. Якщо кілограм «попливе», зруйнується і безліч вимірювань фундаментальних констант.

Тому вчені давно намагаються замінити кілограм якимсь універсальним визначенням не залежним від матеріальних зразків. Як це було зроблено з метром, прив'язаним до швидкості світла у вакуумі та секунді (яку, у свою чергу, визначили через параметри випромінювання атома цезію-133).

Один із запропонованих підходів — виведення еталонного кілограма за допомогою інструменту ват-баланс (watt balance). Цей прилад порівнює вагу об'єкта з електромагнітними силами (через прецизійне вимірювання струму та напруги).

Однак такий еталон буде працювати, тільки якщо квантовані значення опору Холла ніяк не залежать від випробовуваних матеріалів, а визначаються лише співвідношенням постійної Планка та квадрата заряду електрона (h/e²).

Нагадаємо, звичайний ефект Холла полягає у виникненні напруги на протилежних сторонах листа провідника, по якому йде струм і перпендикулярно якому прикладене магнітне поле. Квантовий ефект Холла виникає при низьких температурах у настільки тонких листах, що у них електрони починають переміщатися в одній площині (виникає двовимірний електронний газ).

Усі попередні досліди говорили про те, що квантований опір Холла дійсно не залежить від вибору матеріалу. Але залишався сумнів: можливо, у руки вчених потрапляли недостатньо різнорідні речовини? Тепер група експериментаторів із британської Національної фізичної лабораторії (NPL) за підтримки колег зі Швеції та Франції виконала перше пряме порівняння опору Холла в графені і напівпровіднику арсеніді галію.

Вчені не вимірювали параметри цих матеріалів по черзі, а побудували установку таким чином, що при найменшій різниці в опорах двох зразків на тестових контактах виникав би струм. Але його виявити не вдалося. Квантований опір двох матеріалів виявилися рівним з невизначеністю 8,6 × 10^–11. (Деталі експерименту можна дізнатись із прес-релізу лабораторії та статті у New Journal of Physics.)

Важливо, що для ефекту Холла арсенід галію та графен є принципово різними матеріалами. У першому електрони провідності поводяться як частки з масою, а у другому вподібнюються безмасовим фотонам.

Усе це означає, що в межах сьогоднішніх можливостей експерименту ми цілком можемо покластися у визначенні кілограма на ват-баланс, графен і електричні світові константи. (Заодно через одиниці h та e повинне бути переглянуте і визначення одиниці сили струму – ампера, нагадують вчені.)

Різні альтернативні способи визначення еталонного кілограма будуть обговорюватися на незабаром у Парижі на 24-ій Генеральній конференції по мірам і вагам (CGPM).

За матеріалами: membrana.ru