Развитие метрологии: от аршина до кванта

Ростех 22 мая 2020
Фото: Ростех
Фото: wikimedia.org 145 лет назад 17 стран, в числе которых была и , подписали знаменитую Метрическую конвенцию. Так была создана Международная организация мер и весов, а позже 20 мая объявили Всемирным днем метрологии — науки об измерениях.
Современные технологии открывают новые возможности в метрологии. Одна из основных задач науки об измерениях в наши дни — это создание системы эталонов нового поколения, в частности с использованием эффектов квантовой физики.
От аршина к радиоизмерениям
В 1870 году метрологи разных стран впервые собрались вместе, на международной комиссии в Париже. Кстати, одним из инициаторов ее организации выступила Петербургская . Именно на этой парижской встрече впервые прозвучали идеи о введении метрической системы, а также о создании новых эталонов мер.
Пять лет спустя, 20 мая 1875 года, 17 стран подписали Метрическую конвенцию. Эта организация послужила поводом создания Международной организации мер и весов — по сути, первой международной научно-исследовательской лаборатории.
В списке стран, официально присоединившихся к Метрической конвенции в 1875 году, была и Россия. Большой вклад в этом принадлежал Дмитрию Менделееву. Период с 1892 по 1918 год даже называют менделеевским этапом развития метрологии. Дмитрий Иванович возглавлял в  Главную палату мер и весов — сегодня это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева.
Несмотря на активную деятельность, Менделееву все же не удалось внедрить в России метрическую систему. Многие годы она использовалась по желанию, наряду со старой русской и британской (дюймовой) системами. Только в 1918 году Международная метрическая система мер и весов была введена в России официально.
Институт метрологии имени Д. И. Менделеева
Метрическая система положила начало развитию отечественной метрологии, в том числе и в области радиоэлектронных измерений. Так, под руководством известного физика Михаила Бонч-Бруевича в 1918 году была создана Нижегородская лаборатория, которая стала первым НИИ в области радиоизмерений. Сегодня это Нижегородское научно-производственное объединение им. М. В. , входящее в . Здесь были созданы первые в стране приборы для измерения частот, первый отечественный генератор стандартных сигналов, а в 1935 году — первый ламповый вольтметр для измерения напряжения.
На базе Нижегородской лаборатории позже был образован и Научно-исследовательский институт № 11. Сегодня это Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», также входящий в КРЭТ.
С точностью до кванта
Современные технологии требуют совершенно нового уровня точности измерений, а таким образом совершенствования самой метрологии. Сегодня как никогда актуален тезис: «Если нельзя правильно измерить, то невозможно создать».
К примеру, развитие нанотехнологий ставит перед измерительными системами новые вызовы — погрешности измерений должны быть сравнимы с межатомными расстояниями. Сегодня даже появилось такое понятие как нанометрология, которая отвечает за разработку инструментов для измерения параметров объектов в нанодиапазоне.
В последние годы основным направлением в метрологии является использование квантовых физических эффектов. Именно квантовые методы, обеспечивающие высокую точность измерений, позволяют выполнять метрологическое сопровождение производства продукции с использованием нанотехнологий.
Цезиевые атомные часы с цезиевым фонтаном NPL-CsF3. Фото: National Institute of Standards and Technology
Квантовые методы находят свое применение в современной элементной базе, тем самым позволяют создавать измерительную аппаратуру с уникальными характеристиками. Кроме того, речь идет и о разработке высокоточных эталонов единиц физических величин. К примеру, единица времени (секунда) воспроизводится с помощью квантового эталона частоты. В этом смысле секунда — это интервал, в котором укладывается 9 192 631 770 периодов колебаний излучения, соответствующего квантовому переходу между уровнями сверхтонкой структуры атома.
Квантовые методы использовались и при создании эталонов сопротивления и постоянного напряжения. В создании последнего принимал участие Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц».
Квантовый эталон напряжения
Методы квантовой метрологии основываются на квантовых эффектах, имеющих место на атомном и ядерном уровнях. Различают несколько видов квантовых эффектов. Например, в метрологии широко используется квантовый эффект Холла. Суть его состоит в том, что в специальных структурах при температуре жидкого гелия и в сильном магнитном поле электрическое сопротивление принимает строго фиксированное значение.
На использовании другого эффекта, названного именем английского физика Джозефсона, основаны современные эталоны единиц напряжения — вольта. В 1962 году 22-летний ученый Брайан Джозефсон догадался, что два сверхпроводящих слоя, разделенные прослойкой изолятора толщиной в несколько атомов, будут вести себя как единая система. Основываясь на принципах квантовой механики, он показал, что в этой системе электроны проходят через диэлектрик без сопротивления благодаря особому туннельному эффекту.
Микросхема джозефсоновского массива, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий, как эталон напряжения — вольта
Открытие Джозефсона оказало существенное влияние на современную физику: позволило уточнить величину постоянной Планка — основной константы квантовой теории, а также способствовало созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения. До сих пор не были открыты другие физические эффекты, которые могли бы составить конкуренцию эффекту Джозефсона по точности воспроизведения единицы напряжения.
Квантовый эффект Джозефсона реализуются в тонкопленочных устройствах, которые позже получили название «контакты Джозефсона». Квантованное напряжение, возникающее на одном джозефсоновском контакте под воздействием внешнего электромагнитного поля, обычно мало. Чтобы добиться его увеличения до метрологически значимой величины, необходимо большое число контактов. Массивы из десятков тысяч джозефсоновских контактов объединялись в сложные сверхпроводниковые микросхемы.
В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), а еще через три десятилетия была разработана технология изготовления микросхем, содержащих несколько сотен джозефсоновских контактов из ВТСП. В 2014 году по заданию института «Кварц» учеными РАН была выполнена опытно-конструкторская работа «Разработка технологии изготовления микросхемы ВТСП и ее испытание в составе эталона напряжения». Результатом данной работы стало создание образца джозефсоновской микросхемы на основе высокотемпературных сверхпроводников.
На основе этой микросхемы в институте «Кварц» был впервые создан рабочий образец меры напряжения. По своим параметрам он полностью соответствует эталонным средствам измерения и может использоваться в метрологических институтах, в центрах стандартизации и испытаний.
Впрочем, сама технология джозефсоновских систем открывает и другие новые возможности — от создания суперкомпьютеров с очень низким потреблением энергии до разработки искусственного интеллекта. Возможно, именно осознание всей масштабности прикладного значения своего открытия «переключило» Брайана Джозефсона на исследования из области «необъяснимого и невероятного». После получения Нобелевской премии он занялся парапсихологией и сегодня известен своей верой в существование паранормальных явлений.
Комментарии
Другое , Дмитрий Менделеев , РАН , КРЭТ , Санкт-Петербург , Фрунзе
Читайте также
Бузова и Манукян готовятся к свадьбе
2
Россияне прокомментировали ситуацию с иском к Ислямову
Последние новости
«Швабе» начал выпуск устройств для очистки воздуха в помещениях
Тульский «Штамп»: оружие и самовары
Ростех создал антивандальное остекление из полимера нового поколения