바카라 커뮤니티, 물리 및 측정 표준 연구소 인 바카라 커뮤니티는 강력한 자기장 발전기를 사용하지 않고 정밀한 측정 (8 자리 숫자의 정확도)을 개발했습니다
전기 저항은 전류 흐름의 어려움을 반영하는 물리적 양입니다 현재, 다른 국가와 지역에서도 저항 측정의 편차를 방지하기위한 물리적 현상 "바카라 홀 효과"전기 저항이 바카라화 된 저항 값이라고 불리는 일정한 값이되게합니다Quantum Hall Element저항 측정의 표준 (저항 표준)으로 사용됩니다 바카라 홀 효과는 강한 자기장에서 발생하는 현상입니다Superconductive Electromagnet와 같은 크고 비싼 강한 자기장 생성기 (그림 다이어그램 (오른쪽))이므로 편리하게 사용하기가 어렵습니다 이러한 이유로, 강력한 자기장을 사용하지 않고 사용할 수있는 저항 표준의 개발이 전 세계적으로 진행되고 있습니다 이번에는 2016 년 노벨 물리 상을 수상한 이유 중 하나이며 새로운 재료토폴로지 절연체(바카라 이상 홀 효과)에 중점을 두었습니다 이 새로운 재료를 사용하여, 우리는 가정 개선점에서 저렴하고 사용하기 쉬운 작은 자석에 의해 생성 된 약한 자기장을 사용하여 국가 계량 표준에 해당하는 8 자리의 정확도의 바카라 저항 표준 요소를 실현했습니다 (그림 다이어그램 (왼쪽)) 크고 비싸고 손질하기 어려운 강력한 자기장 생성기의 필요성은 불필요 해져서 가장 정확한 저항 표준을 컴팩트하고 단순화 할 수 있으며 개인 회사를 포함한 다양한 사이트에서 사용될 것으로 예상됩니다 이 기술에 대한 세부 사항은 2021 년 12 월 13 일 (영국 시간)자연 물리학잡지에 온라인으로 게시 됨
(왼쪽) 작은 자석을 사용한 새로운 표준 바카라 저항 요소, (오른쪽) 기존의 강력한 자기장 생성기와 비교
우리 주변의 거의 모든 전기 제품은 저항이라고하는 전자 회로 구성 요소를 사용합니다 전자 회로가 설계된대로 작동하려면 개별 저항기에 필요한 성능이 있어야하며이를 확인하려면 정확한 전기 측정이 필요합니다 따라서 저항 값을 정확하게 측정하는 측정 기술은 오늘날의 전자 사회를 지원하는 기초라고 할 수 있습니다
현재, 다른 국가와 지역에서도 측정 된 저항 값의 편차를 방지하기 위해, 바카라 저항의 값은 바카라화 된 저항 값이라고 불리는 일정한 값 인 바카라 홀 (Quantum hall value)이라고 불리는 바카라 홀 효과로 사용됩니다 그러나 바카라 홀 효과는 저온 (1도 절대 온도 (1 켈빈 이하))이고 강한 자기장 (지오그네틱 10Tesla9776_10076
이 연구는 토폴로지 절연체에서 나타나는 "바카라 비정상 홀 효과"로 알려진 현상에 중점을 두었습니다 토폴로지 절연체는 전 세계적으로 적극적으로 연구하고있는 자료이며, 2016 년에는 기본 이론 연구를 위해 물리학 상을 수상했습니다 바카라 비정상 홀 효과는 홀 요소의 전기 저항 값이 바카라 홀 효과와 유사한 바카라화 저항 값이되는 물리적 현상입니다 그러나 바카라 홀 효과와는 달리, 작은 자석의 약한 자기장 (대략 100 밀리 트라스와 동등한 홈 개선점에서 구매할 필요가 없음)에서 표현됩니다 따라서, 바카라 비정상 홀 효과를 사용하는 표준 저항 요소가 개발 될 수 있다면, 초전도 전자기와 같은 강한 자기장 생성기는 더 이상 필요하지 않을 것으로 예상된다 그러나, 바카라 비정상 홀 효과를 사용한 이전 측정에서, 소량의 전류가 바카라화 저항의 예상 값에서 전환 할 수 있다는 점에서 불안정성 문제가 있으며, 전기 저항을 측정하기위한 표준으로 사용될 수 없다
이 연구에서 우리는 전류에 대한 바카라 비정상적인 홀 효과의 안정성을 높이기 위해 토폴로지 절연체의 품질을 향상시키기 위해 노력했습니다 특히, 토폴로지 절연체를 제조하기위한 조건을 최적화함으로써, 안정적인 요소는 실제 측정 전류가 통과 된 경우에도 바카라화 저항 값으로부터의 상대적 편차가 1/100 만 미만으로 억제된다는 것을 실현했다 이를 통해 국가 표준 저항 수준에서 필요한 8 자리의 정확도로 저항의 표준 프로토 타입을 개발할 수있었습니다
이 연구는 일본 과학 기술 기관 (JST) 전략적 제작 연구 촉진 프로젝트 크레스트의 지원으로 수행되었습니다
바카라 비정상 홀 효과는 적절한 비율의 4 가지 요소의 조합과 같은 토폴로지 절연체에서 나타납니다 이상적으로,이 네 가지 요소의 비율은 토폴로지 절연체 전체에서 균일 할 것입니다 그러나 실제로 제조 된 토폴로지 절연체에서 농도의 변화로 인해 요소 비율이 고르지 않아 전류가 불안정 해졌습니다 이 기사에서는 장치 제조 중 요소 비율, 요소 구조 및 온도를 최적화함으로써 불균일성이 감소하고 전류에 대한 안정성이 향상되었습니다 무화과 1 (왼쪽)은 제조 된 토폴로지 절연체를 처리하여 생성 된 요소의 광학 현미경 사진입니다 요소는 통합 회로 패키지에 장착되어 유선이 연결됩니다 먼저, 전류에 대한 제조 요소의 안정성을 확인하기 위해 저항을 측정 하였다 그림 1 (오른쪽)은 약한 자기장 (작은 자석에 의해 제조 된 약 200mm 테슬라) 하에서 제조 된 요소의 전기 저항 값의 전류 의존성을 측정 한 결과를 보여줍니다 (그림에서 바카라화 된 저항 값과의 편차는 상대 값으로 표시됨) 측정 된 전류가 2 마이크로 암프 미만인 경우, 바카라화 된 저항 값으로부터 저항 값의 편차는 바카라 비정상 홀 효과로 인해 0에 접근하고있다 다른 한편으로, 바카라화 저항 값이 2 개의 마이크로 암프 이상에서 바카라화 저항 값으로부터 이동하는 것으로 관찰되었다 이 결과는 약 2 개의 마이크로 암프의 전류가 통과 되더라도 바카라화 저항 값을 유지할 수 있음을 보여 주었다 마이크로 앰퍼의 현재 양은 이전에보고 된 값보다 약 2 배 더 큽니다 이는 측정 된 전류에 대한 안정성이 크게 향상되었음을 나타냅니다
그림 1 (왼쪽) Quantum 저항 표준 요소는 토폴로지 절연체를 사용하여 제작되었습니다 (오른쪽) 정량화 된 저항 값으로부터 저항 값의 편차 (상대 값)의 측정 전류 의존성
강한 자기장 생성기를 사용하지 않고 저항 표준을 실현하기 위해, 그림 2 (왼쪽)와 같이 요소와 작은 자석을 결합한 프로토 타입이 개발되었습니다 저항의 기존 정밀 측정에 사용되는 강력한 자기장 생성기 인 초전도 전자기 (그림 2 (오른쪽))와 비교하여, 자기장 생성 부분은 크기와 중량이 크게 줄어들 었습니다 기존 저항 표준에서 냉장고 자체는 초전도 전자기를 식히기 위해 컸지만이 소형화를 사용하면 냉장고를 포함한 전체 저항 표준 장치가 더 작게 만들 수 있습니다 비용 측면에서, 100 엔 미만의 작은 자석으로 약 1 천만 엔의 비용이 드는 고가의 초전도 자석을 대체하고 냉장고를 더 적은 비용으로 작은 냉장고로 바꿀 수 있습니다 또한, 작은 자석은 작은 범위의 자기장을 가지며 약 센티미터에 불과하므로 주변 실험 환경에는 거의 영향을 미치지 않습니다
그림 2 (왼쪽) 작은 자석을 사용한 새로운 표준 바카라 저항 요소와 (오른쪽) 이전에 필요한 강력한 자기장 생성기의 비교
다음으로 개발 된 프로토 타입의 성능을 평가했습니다 도 1의 측정은 전류에 대한 안정성을 확인하기에 충분했지만이 경우 가장 높은 성능을 평가하기 위해보다 정확한 측정이 수행되었다 이 평가를 위해, 작은 자석을 사용하여 표현 된 바카라 비정상 홀 효과를 사용하는 새로운 유형의 저항 표준 요소의 저항 값과 강한 자기장 생성기를 사용하여 표현 된 바카라 홀 효과를 사용하는 종래의 표준 요소를 계산 하였다 무화과 도 3은 상대 값에 의해 바카라 저항 값으로부터 각 요소에 의해 측정 된 저항 값의 편차를 비교한다 이 측정은 강력한 자기장 생성기를 사용하지 않는 새로운 장치가 강력한 자기장 생성기를 사용하는 기존 장치와 마찬가지로 8 자리 정확도로 저항 표준을 달성 할 수 있음을 보여주었습니다 AIST는 국가 표준으로 저항 교정을 제공합니다교정 및 측정 능력저항 표준 상대표준 불확실성is 28 × 10-9주문에 관한 것입니다 도 3에 도시 된 바와 같이, 새로운 표준 저항 요소의 값은 불확실성을 고려한 값의 범위 내에 있으며 국가 표준과 동일한 정확도를 갖는 저항 표준으로 사용 가능한 것으로 확인된다
그림 3 새로운 표준 저항 요소 및 기존 표준 저항 요소 (상대 값)에 대해 측정 된 저항 값의 편차 (상대 값) 그림의 화살표는 AIST가 저항 교정 교정에서 교정 측정 기능을 달성 할 수 있도록 상대 표준 불확실성 (± 28 × 10-9)
이번에는 강력한 자기장 생성기를 사용하지 않고 국가 표준과 동등한 정확도로 저항 표준을 달성 할 수있었습니다 앞으로 우리는 품질을 향상시키기 위해 계속 노력하고 편의성과 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 할 것입니다 또한 새로운 표준 저항 요소가 장착되어있어 많은 사용자가 사용할 수있는 작고 가벼운 정밀 전기 측정 장치를 개발할 계획입니다
게시 된 잡지 :자연 물리학
논문 제목 : 영구 자석을 가진 바카라 변칙 홀 효과 Quantum 저항 표준을 정의
저자 : Yuma Okazaki, Takehiko OE, Minoru Kawamura, Ryutaro Yoshimi, Shuji Nakamura, Shintaro Takada, Masataka Mogi, Kei S Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Masashi, yohinori tokaki, and and and an Nobu-Hisa Kaneko