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Jul 28, 2023

Il NIST migliora il suo dispositivo di punta per la misurazione della massa

In un laboratorio sotterraneo ben illuminato presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) si trova una macchina elettromeccanica grande quanto una stanza chiamata bilancia NIST-4 Kibble. Lo strumento può già

In un laboratorio sotterraneo ben illuminato presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) si trova una macchina elettromeccanica grande quanto una stanza chiamata bilancia NIST-4 Kibble.

Lo strumento è già in grado di misurare la massa di oggetti di circa 1 chilogrammo con la stessa precisione di qualsiasi altro dispositivo al mondo. Ma ora, i ricercatori del NIST hanno ulteriormente migliorato le prestazioni della loro bilancia Kibble aggiungendovi un dispositivo personalizzato che fornisce una definizione esatta di resistenza elettrica. Il dispositivo si chiama QHARS (Quantum Hall Array Resistance Standard) ed è costituito da un insieme di diversi dispositivi più piccoli che utilizzano un capriccio della fisica quantistica per generare quantità estremamente precise di resistenza elettrica. I ricercatori descrivono il loro lavoro in un articolo di Nature Communications.

Il miglioramento dovrebbe aiutare gli scienziati a utilizzare le loro bilance per misurare masse inferiori a 1 chilogrammo con elevata precisione, cosa che nessun’altra bilancia Kibble ha mai fatto prima.

Le misurazioni NIST-4 sono state utilizzate per aiutare gli scienziati a ridefinire il chilogrammo, l'unità fondamentale di massa nel Sistema Internazionale di Unità (SI), nel 2019. Tutto ciò che deve essere pesato si basa su questa nuova definizione di massa.

Il nuovo dispositivo QHARS personalizzato è un esempio di standard di misurazione: un oggetto o uno strumento che ha una relazione predefinita con una quantità fisica come la lunghezza, il tempo o la luminosità. Lo standard in questo caso è un dispositivo elettrico che utilizza i principi quantistici per generare una quantità precisa di resistenza elettrica. Questa resistenza generata serve poi come riferimento durante il funzionamento della bilancia Kibble.

Prima di questo lavoro, la bilancia Kibble NIST-4 si basava su uno strumento standard diverso che forniva anche una definizione esatta di resistenza elettrica. Per motivi tecnici però questo apparecchio non poteva essere incorporato direttamente nella bilancia.

Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno dovuto prendere un altro oggetto, chiamato artefatto, e utilizzare lo standard per calibrare o valutare quell’artefatto. Hanno quindi utilizzato l'artefatto direttamente con la bilancia Kibble NIST-4. La nuova configurazione elimina la necessità di un artefatto di resistenza e migliora la precisione della bilancia.

"Il passo aggiuntivo di calibrare un resistore ha ridotto la precisione delle misurazioni di massa", ha affermato Darine Haddad del NIST. “Poiché ora utilizziamo direttamente uno standard quantistico invece di un artefatto, stiamo eliminando completamente la fase di calibrazione. Ciò riduce l’incertezza della resistenza”, il che significa che c’è un miglioramento significativo nella precisione della resistenza.

Dilemma “attuale”.

La macchina per l'equilibrio delle crocchette NIST-4 funziona confrontando la forza meccanica con la forza elettromagnetica. In poche parole, una massa si trova sulla bilancia e la gravità la tira verso il basso. I ricercatori quindi pompano corrente attraverso una bobina di filo situata in un campo magnetico, e quella corrente elettrica spinge la massa verso l’alto, facendola levitare effettivamente a mezz’aria. Gli scienziati misurano la quantità di corrente necessaria per far galleggiare l'oggetto, bilanciandolo esattamente. Se riesci a misurare la corrente, puoi calcolare la massa dell'oggetto.

Ma affinché ciò funzioni, gli esperti di misurazione devono sapere esattamente quanta corrente scorre attraverso la bobina con un elevato grado di precisione. Lo fanno misurando altri due valori più facili da misurare: la tensione e la resistenza.

Uno standard di tensione quantistica è già integrato nel dispositivo. Ma lo standard di resistenza quantistica non può essere utilizzato direttamente perché il dispositivo tradizionale, fatto di arseniuro di gallio (GaAs), non può funzionare correttamente con le quantità relativamente grandi di corrente necessarie per far levitare un oggetto su scala macro come un 50 o 100 o addirittura Massa di 1.000 grammi. Quindi, invece, il dispositivo GaAs è stato utilizzato separatamente per misurare la resistenza di un oggetto appena calibrato che viene poi inserito nel NIST-4 e utilizzato nella misurazione vera e propria.

Nuovo QHARS in soccorso

Per affrontare questo problema, il NIST ha progettato e testato un nuovo tipo di dispositivo di resistenza quantistica: il QHARS. Invece di GaAs, questo strumento è fatto di grafene, il foglio di atomi di carbonio dello spessore di un singolo strato atomico che è stato un argomento caldo per molti anni per la sua promessa in una varietà di usi, inclusa l’elettronica più veloce e flessibile.