关于电阻量子基准的研究

1、刘乙霖刘乙霖 周鑫培周鑫培 孔凯孔凯 李丹李丹 刘晋炜刘晋炜 周琦周琦9-1-3-7关于电阻量子基准的研究量子化霍尔器件量子化霍尔器件低温电流比较仪低温电流比较仪我国的量子化霍尔电阻标准的建立我国的量子化霍尔电阻标准的建立 量子化霍尔电阻标准研究的背景及发展量子化霍尔电阻标准研究的背景及发展1234 为什么要研制量子霍尔电阻标准？ 在量子霍尔电阻研制之前，世界上普遍使用的是实物电阻标准。实物电阻标准和其相比，有以下缺点：1、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。2、实物标准只有一个，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

2、因之中断。一、背景及发展 量子霍尔电阻的形成与发展 20世纪80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1990 年1月1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 Rk=h/ e2 =25812.807一、背景及发展 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。一、背景及发展二.量子化霍尔器件 什么是量子化霍尔器件？ 当把此器件通入沟道电流I,并放入强磁场Bz中时,器

3、件的两个侧边之间将产生霍尔电压Vh。如再使器件的温度降到绝对零度附近，器件中霍尔电压就出现“量子化”的特征。 然后得到器件的特性曲线。 其中的RK就是式(1)中的冯克里青常数，i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制作的量子化霍尔器件，第2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 RH=1/225812.807=12906.4035三、低温电流比较仪的应用按国际计量委员会的建议，世界各国均用Rk=h/e2=25812.807表示的量子化霍尔电阻的推荐值。使用砷化镓-铝

4、砷化镓异质结材料的量子化霍尔器件时，则用RH=1/225812.807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。 原理及结构图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SQUID)进行检测。超导线圈以及SQUID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。 低温电流比较仪的平衡方程I1W1+I2W2=0。如平衡方程未能得到完全满足，则此式成为I1W1+I2W2=其中表示安匝数的不平衡量。此不平衡量为图1中标为L的线圈检测到以后送入超导量子

5、干涉器(SQUID)的输入线圈Li，再经SQUID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。比较量子化霍尔电阻与100电阻量值的电桥 但是一般情况下等式左右两边仍然不能相等。实验说明这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。从式中可看到如能增加此式中的有用信号I1W1和I2W2，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

6、阻发热而导致新的测量误差。四、我国在电阻量子基准领域的成就 量子化霍尔电阻基准由中国计量科学研究院单位完成时量子化霍尔电阻基准是电学单位安培、温度单位开尔文、质量单位千克三个国际单位制基本单位的依据。对整个计量系统有着根本性的重要意义。并可为电力、电子、冶金、医疗、航空航天、建筑等部门提供准确的测量溯源数据，促进产品质量快速提高。同时为我国打破技术壁垒TBT，提高我国相关产品（特别是超高精密仪器）的质量和国际竞争力，出口方面争取有利地位有重要作用。 该项目有多项自主知识产权的技术创新： 1.在国际上首次从理论上证明了任意形状的霍尔器件量子化时均满足普适公式，降低了对工艺的要求，用国内现有的工艺

7、条件研制成功高质量的量子化霍尔电阻器件。 2.大幅度提高低温电流比较仪电桥的信噪比和稳定性，研制成功高准确度的测量设备。总体信噪比提高十倍。 3.发明了一种“对测量设备在实际工作状态下进行整体校验的技术”，保证测量结果的准确性。 该项目课题组发明了以上国外尚未掌握的核心技术，建成量子化霍尔电阻装置。经过三种严格的国际比对证实，准确度比国外最好的装置高出十倍，并受邀帮助国际计量局和丹麦、意大利等国建立和改进此种装置。 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(LEP)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6个量子

8、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310-9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。 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:0.2410-9(k=1) 量子化霍尔电阻传递到100:0.4810-9(k=1) 量子化霍尔电阻传递到1:0.7210-9(k=1) 表1是国际计量局2004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k=2。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。 2000年10月，日本ETL的中西正和博士带了3个1标准电阻到计量院来。3个电阻事先用ETL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ETL分别用各自的量子化霍尔电阻和低温电流比较仪测量1标准电阻的差别仅为1.3n(即1.31