SI 基本單位重新定義后國外計量測試技術(shù)發(fā)展綜述

邱喜鵬，張倩，馬茂冬，楊帆

(中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100089)

隨著2017 年SI 基本單位制的重新定義，國際前沿計量技術(shù)向量子化、扁平化、定制化方向發(fā)展。跟蹤國際先進(jìn)計量測試技術(shù)，并做好對應(yīng)領(lǐng)域的比對研究工作，成為我國突破國外技術(shù)封鎖，占領(lǐng)先進(jìn)計量測試技術(shù)制高點(diǎn)的重要措施。筆者在梳理歸納國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對SI 基本單位制重新定義后國外在計量檢測關(guān)鍵領(lǐng)域，如量子精密測量領(lǐng)域、SI新型成果轉(zhuǎn)化領(lǐng)域、新材料測試技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域取得的技術(shù)突破及發(fā)展成果進(jìn)行了綜述，以期為我國計量工作者和管理決策者提供參考。

1 基本單位重新定義

國際單位制(International System of Unites，SI)于1960 年第十一屆國際計量大會通過建立，包括基本單位、導(dǎo)出單位和輔助單位。其中基本單位有長度單位“米（m）”、質(zhì)量單位“千克（kg）”、時間單位“秒（s）”、電流單位“安培（A）”、溫度單位“開爾文（K）”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉（cd）”和物質(zhì)的量單位“摩爾（mol）”。SI 是全球公認(rèn)的基本計量單位，是國際計量體系的基石，基本單位制的穩(wěn)定是所有測量活動量值穩(wěn)定可靠的重要基礎(chǔ)。

2017 年7 月，國際計量委員會(CIPM)提出了基于普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、阿伏伽德羅常數(shù)、電子電量重新定義開爾文、千克、安培、摩爾4 個基本單位的方案。2018 年11 月26 日，在法國巴黎召開了第26 屆國際計量大會，4 個國際基本單位正式被重新定義，標(biāo)志著量子基準(zhǔn)時代的全面來臨，基本單位重新定義前后對比見表1。與實(shí)物基準(zhǔn)相比，量子基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性將大幅提高，并將給計量檢測技術(shù)發(fā)展造成重大影響［1–4］。

表1 SI 基本單位新舊定義對比表

在新的定義方式中，基于普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、阿伏伽德羅常數(shù)、電子電量等物理常數(shù)沒有測量不確定度的固定值，各常數(shù)之間存在清晰明確的依賴關(guān)系，這些常數(shù)的測量不確定度轉(zhuǎn)移至相關(guān)物理量中，國際千克原器、水的三相點(diǎn)等量值的測量不確定度增大。新舊單位測量不確定度變化關(guān)系如圖1 所示。

圖1 SI 單位重新定義后各基準(zhǔn)及物理常數(shù)的不確定度變化

2 量子精密測量技術(shù)發(fā)展

2.1 量子傳感器

幾個世紀(jì)以來，人類通過高精度測量光和物質(zhì)來加深對世界的了解。隨著SI 基本計量單位的量子化重新定義，量子傳感器也逐漸引起發(fā)達(dá)國家研究人員的關(guān)注。量子傳感器可以達(dá)到傳統(tǒng)物理學(xué)定律無法實(shí)現(xiàn)的靈敏度，但是形成和控制量子狀態(tài)卻十分復(fù)雜，需要很高的探測靈敏度，且相關(guān)測量容易受到外界干擾。此外由于量子非經(jīng)典態(tài)測量通常需要適應(yīng)特定的參數(shù)，根據(jù)海森堡不確定性原理，通常會增大其它相關(guān)參數(shù)的測量不確定度。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)、漢諾威大學(xué)QUEST 研究所和意大利國家光學(xué)研究院聯(lián)合研究了一種基于同時適應(yīng)兩個測量參數(shù)非經(jīng)典態(tài)的方法。該方法借鑒對單個原子或分子組成的量子探測系統(tǒng)的了解和操控經(jīng)驗(yàn)，利用量子單擺，在外力作用下，使單個原子擺在鎂離子“量子阱”中產(chǎn)生震蕩行為，并測量原子振蕩的振幅和頻率(如圖2 所示)。這種測量方式在測量時間不變的情況下，能夠?qū)⒎直媛侍岣咭槐?。研究團(tuán)隊(duì)還計劃利用耦合光場開發(fā)新的冷卻程序以簡化量子模擬器。該項(xiàng)目研究成果將實(shí)現(xiàn)精度和分辨率的測量突破，有助于研發(fā)新一代原子鐘、原子干涉儀等量子傳感器［5–8］。

圖2 原子擺測量兩個非經(jīng)典態(tài)試驗(yàn)?zāi)M圖

2.2 單原子晶體管

晶體管在計算機(jī)中用途廣泛且用量巨大，晶體管微縮技術(shù)是量子計算機(jī)研制的關(guān)鍵之一，關(guān)系到新一代計算機(jī)的存儲和處理能力。2018 年德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院托馬斯·希梅爾教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了單原子晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)電流控制單個原子的位移，進(jìn)而操控電路開關(guān)。其基本原理是在單一金屬原子寬度的縫隙間建立兩個微小金屬觸點(diǎn)，在縫隙間通過電脈沖來移動單個原子，從而完成電路的閉合和切斷。新型單原子晶體管利用固體電解質(zhì)的工作原理，通過水溶性銀電解質(zhì)凝膠與熱解法二氧化硅凝膠電解質(zhì)結(jié)合，并且完全由金屬材料構(gòu)成，降低了晶體管能耗，提高了使用安全性［9］。

2020 年5 月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與馬里蘭大學(xué)針對單原子管開發(fā)了一套原子級生產(chǎn)設(shè)備，成為繼德國之后第二個能夠制造單原子管的國家，也是世界第一個能夠批量生產(chǎn)單原子晶體管的團(tuán)隊(duì)。NIST 團(tuán)隊(duì)首先在硅芯片上覆蓋一層氫原子(藍(lán)色原子)，用掃描隧道顯微鏡的精細(xì)尖端在選定部位去除氫原子，然后將磷化氫氣體導(dǎo)入硅表面，并附著在氫原子移除的位置將硅表面加熱，氫原子受熱噴出，磷原子嵌入硅表面(灰色原子)；最后經(jīng)過進(jìn)一步處理，磷原子作為量子位元形成原子器件［10］，其原理如圖3 所示。

圖3 NIST 原子晶體管生產(chǎn)原理

2.3 量子霍爾效應(yīng)

量子霍爾效應(yīng)將數(shù)學(xué)中的拓?fù)涓拍钜胛锢韺W(xué)，超越了Landau 根據(jù)對稱性破缺理論對物質(zhì)分類的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，為拓?fù)湮飸B(tài)與拓?fù)洳牧系目焖侔l(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并且成為超導(dǎo)之外的另一個凝聚態(tài)物理宏觀量子現(xiàn)象。合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心(ICQD)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系的喬振華教授與南方科技大學(xué)張立源教授、新加坡科技設(shè)計大學(xué)楊聲遠(yuǎn)教授、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)的楊昆教授、麻省理工學(xué)院的Lee 教授和布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室的Gu 教授等進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)合作，在碲化鋯(ZrTe5)塊狀單晶體材料中首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)。

在層狀碲化鋯材料中，電子在垂直磁場的平面中形成Landau 能級，在側(cè)邊界施加電流，邊界電子形成單向傳輸?shù)倪吘墤B(tài)。研究團(tuán)隊(duì)利用系統(tǒng)體相的絕緣性及電子之間的關(guān)聯(lián)作用，在側(cè)邊界形成電荷密度波。由于沿著磁場方向的電子運(yùn)動不受磁場影響，一個初始的金屬態(tài)在弱電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)下無法變成絕緣體。對于三維體系，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入僅有一個Landau 能級被占據(jù)的量子極限區(qū)域時，電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)大大增強(qiáng)，導(dǎo)致費(fèi)米面不穩(wěn)定，體系內(nèi)部形成量子態(tài)—電荷密度波，即電子的密度沿著磁場方向以一定的周期振蕩，整個體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體。該研究結(jié)果將為凝聚態(tài)物理的應(yīng)用提供重要參考［11–12］。

3 單位制成果轉(zhuǎn)化技術(shù)

3.1 新“千克”定義的技術(shù)成果轉(zhuǎn)移

在三維物體的體積測量中，球體是測量精度能達(dá)到最高的最佳形狀，SI 基本單位“千克”被重新定義后，高純度硅球取代千克元器成為質(zhì)量物理實(shí)體具有明顯優(yōu)勢，即在丟失或損壞的情況下，使用正確的材料和技術(shù)即可復(fù)制。另外硅球在阿伏伽德羅常數(shù)的精確測定中也起著重要作用。為了便于與千克原器進(jìn)行比較，球體的質(zhì)量要盡量接近1 kg(直徑約為93.6 mm)。為了確保1 kg 硅球的精度，直徑加工精度必須在1 nm 之內(nèi)。澳大利亞CSIRO 精密光學(xué)中心(ACPO)加工的單晶硅球，其球面度已達(dá)到50 nm，即在各個方向直徑的測量誤差均達(dá)到5×10–4量級(如圖4 所示)。利用激光干涉法測得的硅球體積不確定度達(dá)到10–8量級，由球面度誤差引起的體積相對不確定度小于10–12。

圖4 CSIRO 科學(xué)家加工的高純度硅球

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)的研究成果對重新定義“千克”作出了突出貢獻(xiàn)，其研究團(tuán)隊(duì)已按照TransMeT 項(xiàng)目框架，將高純度硅球生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移至J.Hauser 公司，并協(xié)助該公司研發(fā)了帶有專利軸承和復(fù)雜生產(chǎn)鏈的新型生產(chǎn)機(jī)器，另外還將硅球處理技術(shù)轉(zhuǎn)移至H?fner 公司，并提供高度穩(wěn)定和精確的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目獲得了布倫瑞克工商會頒發(fā)的技術(shù)轉(zhuǎn)移獎。

3.2 原子鐘技術(shù)成果轉(zhuǎn)化

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)及其合作者利用銣原子在太赫茲(THz)波段頻率上的周期性震動而產(chǎn)生“嘀嗒”的原理，將該震動作用于外接紅外激光器(時鐘激光器)，產(chǎn)生的激光分別通過THz梳與GHz 梳兩個光學(xué)頻率梳，轉(zhuǎn)換成千兆赫(GHz)，成功研制出新一代實(shí)驗(yàn)性原子鐘。該時鐘能夠產(chǎn)生GHz 微波電信號，穩(wěn)定在銣原子的THz 震動上供傳統(tǒng)電子儀器測量。從宏觀上看，該原子鐘在高光學(xué)頻率下僅由3 個微米級芯片及支持電子和光學(xué)器件組成，其大小與一顆咖啡豆相似(如圖5 所示)，運(yùn)行功率僅有275 mW，在4 000 s 時的不穩(wěn)定性為1.7×10–13，優(yōu)于芯片型微波原子鐘100 倍左右。但是從穩(wěn)定性改進(jìn)的角度，信噪比還存在不足。芯片級原子鐘將廣泛用于導(dǎo)向系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星時鐘備份的傳統(tǒng)振蕩器等領(lǐng)域。隨著時鐘體積的進(jìn)一步縮小，將有望應(yīng)用于各種手持設(shè)備［13–14］。

圖5 新型芯片級原子鐘體積對比

3.3 交流電壓計量溯源研究及轉(zhuǎn)化

電壓單位“伏特(V)”是電學(xué)領(lǐng)域的重要物理單位，可以由SI 基本單位直接導(dǎo)出。直流電壓能夠直接溯源到SI 基本單位，交流電壓目前無法溯源。針對這一問題，歐洲計量創(chuàng)新與研究計劃(EMPIR)基于頻譜純約瑟夫森電壓的波形計量研究開發(fā)了可溯源交流電壓測量系統(tǒng)。根據(jù)約瑟夫遜效應(yīng)，利用金斯普頓光學(xué)驅(qū)動探測器(JAWS)測量單晶硅表面約瑟夫遜結(jié)的反向偏壓，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲得更大的電壓，進(jìn)而得到約瑟夫遜常數(shù)，通過構(gòu)建量子實(shí)時測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)約瑟夫遜效應(yīng)與SI 電壓單位間的轉(zhuǎn)換。該項(xiàng)目研發(fā)的交流電壓量子器件測量系統(tǒng)能夠在1 V 的電壓水平上合成和測量波形，最大測量電壓可達(dá)1 kV，測量頻率達(dá)到1 MHz，與傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)器件相比，測量時間從1 h 減少到1 min，測量不確定度為原來的百分之一。與上一代測量系統(tǒng)相比，新型交流電壓量子器件測量系統(tǒng)的更新頻率達(dá)到100 MHz，1 kHz～1 MHz 全頻率范圍內(nèi)測量誤差為10 nV～1 V。該研究團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了新系統(tǒng)光電二極管安裝程序，使之能夠產(chǎn)生純交流電壓信號，使測量結(jié)果更加可靠。EMPIR 的下一步工作將設(shè)計量子系統(tǒng)交互界面，提供重新定義的基本單位“伏特”的直接溯源［15–16］。

4 新型材料測試技術(shù)發(fā)展

4.1 石墨烯技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)電阻上的應(yīng)用

量子霍爾效應(yīng)是復(fù)現(xiàn)SI 單位制中電阻單位的重要工具。英國國家物理研究院(NPL)、查爾莫斯技術(shù)大學(xué)與Graphensic 公司聯(lián)合研究了一套桌上電阻基準(zhǔn)裝置(如圖6 所示)，該裝置利用碳化硅上生長的外延石墨烯在高溫和低磁場環(huán)境下的性能，使量子霍爾效應(yīng)能夠在低磁場和高溫環(huán)境下得以復(fù)現(xiàn)，同時仍然能保持十億分之一的準(zhǔn)確度［17］。外延石墨烯能夠顯著縮短溯源鏈，并提供更準(zhǔn)確的測量方法，該研究表明基于外延石墨烯的量子霍爾儀器不僅能夠用于傳遞電學(xué)單位，還能傳遞基于電學(xué)測量的其它標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 NPL、查爾莫斯技術(shù)大學(xué)及Graphensic 公司共同研發(fā)的桌上電阻基準(zhǔn)裝置

4.2 新型納米薄膜材料研究進(jìn)展

日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)(NIMS)和筑波大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種僅由硼和氫組成的新型導(dǎo)電納米薄膜材料，利用吸附在該薄膜材料表面的雜質(zhì)影響其導(dǎo)電性的特性，可將該材料用作分子吸附性的分子感應(yīng)式傳感器材料和催化劑材料等。另外NIMS 還研究了納米多孔非晶硅薄膜，結(jié)果表明，其陽極具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，而且鋰離子存儲容量極高，在充放電100 次后，儲存量為2 962 mAh／g。將納米多孔非晶硅薄膜與無機(jī)固體電解質(zhì)相結(jié)合，可以解決容量衰減問題。同時納米多孔結(jié)構(gòu)可適應(yīng)硅的體積變化，從而限制陽極的力學(xué)破壞及霧化。該研究成果可應(yīng)用于汽車電池、能源工程等多個領(lǐng)域［18］。

5 措施與建議

5.1 從技術(shù)入手，緊跟國際先進(jìn)技術(shù)，推進(jìn)自主研發(fā)

SI 重新定義后，計量技術(shù)發(fā)展向著量子化、微納尺度發(fā)展。圍繞SI 基本單位量值傳遞技術(shù)的研究層出不窮，各發(fā)達(dá)國家均在搶占扁平化計量新時代的制高點(diǎn)，并加快運(yùn)用量子基準(zhǔn)的優(yōu)勢，研制能夠隨時復(fù)現(xiàn)SI 基本量的計量設(shè)備。我國應(yīng)緊跟國際先進(jìn)計量技術(shù)發(fā)展，大力加強(qiáng)計量基礎(chǔ)研究，推進(jìn)計量先進(jìn)成果轉(zhuǎn)化，為國家國防技術(shù)產(chǎn)品質(zhì)量提升提供技術(shù)保障。

5.2 從資源入手，整合軍地計量資源，形成合作態(tài)勢

當(dāng)前我國計量機(jī)構(gòu)存在重復(fù)建設(shè)，國家、國防、軍隊(duì)計量資源建設(shè)并行，計量機(jī)構(gòu)間彼此缺乏交流，局部計量能力較弱，難以攻克高精尖計量技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)對發(fā)達(dá)國家計量研究的彎道超車。應(yīng)加緊出臺相應(yīng)措施，整合計量資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，形成整體合力，發(fā)揮各專業(yè)機(jī)構(gòu)的專業(yè)優(yōu)勢，突破現(xiàn)有計量測試技術(shù)研發(fā)瓶頸，從量子計量、微納計量、新材料測試等新角度實(shí)現(xiàn)研究創(chuàng)新。

5.3 從管理入手，加快建設(shè)計量體系，強(qiáng)化計量作用

當(dāng)前我國計量整體規(guī)劃偏弱，國防計量存在一定滯后性，不能適應(yīng)武器裝備計量保障發(fā)展需求。國務(wù)院印發(fā)的《計量發(fā)展規(guī)劃(2013–2020 年)》已經(jīng)處于收官階段。從國家層面，應(yīng)加強(qiáng)對國外計量技術(shù)發(fā)展的跟蹤，總結(jié)目前計量規(guī)劃體系建設(shè)中的不足，并按照實(shí)際需求制定新規(guī)劃，保證我國計量技術(shù)體系平穩(wěn)快速發(fā)展；從國防計量層面，要注重計量成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，跟蹤國外武器裝備先進(jìn)計量體系，制定適合我軍裝備的計量保障體系，從管理、實(shí)施、監(jiān)督等多個角度推動我軍計量保障體系建設(shè)發(fā)展［19–20］。