以量子物理為基礎的現代計量基準研究簡介

《以量子物理為基礎的現代計量基準研究》是為落實國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》和《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》，而啟動的“十一五”國家科技支撐計劃重點項目。一共包括9個課題，如下：課題1、能量天平質量量子基準研究；
課題2、可編程約瑟夫森量子電壓基準研究；
課題3、玻爾茲曼常數測量及熱力學溫度基準研究；
課題4、精細結構常數測量關鍵技術及電容基準的研究；
課題5、光輻射量子計量基準及關鍵技術研究；
課題6、阿伏加德羅常數測量關鍵技術研究；
課題7、同位素豐度基準的研究；
課題8、冷原子納米尺度計量基準關鍵技術研究
課題9、基于電子隧道效應量子電流基準關鍵技術研究
以下分別作簡要介紹。
課題1  能量天平質量量子基準研究
（一）目標
發展互感精密測量技術，測量不確定度達到1×10-7；以此為基礎建立一套“能量天平”裝置，實現我國的量子質量基準。并完成用此套裝置對普朗克常數的測量。
（二）主要研究內容
建立用于復現質量單位的高精度真空天平；研制激光定位系統，實現互感量測量中線圈在幾個不同位置的精密定位到零點幾納米；設計和研制精密線圈系統，要求其互感量能對幾何位置的變動不敏感；研制精密電流源，實現互感量測量和天平力的測量；最后實現互感精密測量，達到用互感量的測量來吸收“幾何因子”的目的，建立能量天平測量裝置。
（三）主要技術參數和考核指標
互感測量1×10-7，建立質量量子基準裝置，完成用此裝置對普朗克常數的測量，達到國際先進水平。


課題2  可編程約瑟夫森量子電壓基準研究
（一）目標
建立一套可編程約瑟夫森量子電壓基準，達到國際先進水平。
（二）主要研究內容
直流方面要研究減少精密測量環節引入的誤差，降低系統的A類不確定度，使系統滿足可攜帶的要求。在產生動態交流信號方面主要研究SINIS結陣的動態特性、微波源及傳導系統、臺階電壓的激勵方式、結陣偏置源傳輸線路、交流信號處理電路、正弦波的合成與誤差分析。以及掌握量子器件制作的關鍵技術方面的研究。
（三）主要技術參數和考核指標
直流1伏：      不確定度達到 5×10-9；
交流1伏（50Hz）不確定度達到 1×10-5


課題3  玻爾茲曼常數測量及熱力學溫度基準研究
（一）目標
建立測量玻爾茲曼常數和輻射法、噪聲法測量熱力學溫度裝置，測量玻爾茲曼常數達到相對標準不確定度為1×10-4；測量新高溫金屬-碳共晶點和銀（或銅）凝固點的熱力學溫度，相對標準不確定度達到3×10-4；測量氬三相點的熱力學溫度，相對標準不確定度達到1×10-4。
（二）主要研究內容
建立測量玻爾茲曼常數實驗裝置，解決相關的關鍵性技術，并開展測量玻爾茲曼常數的研究，測量的相對標準不確定度好于1×10-4。
建立輻射法測量熱力學溫度的實驗裝置，測量銀（或銅）凝固點和新固定點高溫金屬-碳共晶點鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點熱力學溫度，測量相對標準不確定度達到3×10-4以內。
開展噪聲法測量熱力學溫度研究，掌握噪聲溫度計測量用低電磁干擾、絕熱熔化溫坪技術，開展氬三相點的熱力學溫度測量，測量相對標準不確定度達到1×10-4。
（三）主要技術參數和考核指標
1)玻爾茲曼常數的測量研究，測量的相對不確定度達到1×10-4；
2)金屬-碳共晶點（鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點）和銅（或銀）凝固點熱力學溫度測量，測量相對標準不確定度達到3×10-4；
3)氬三相點熱力學溫度的測量，測量的相對不確定度達到1×10-4。


課題4  精細結構常數測量關鍵技術及電容基準的研究
（一）目標
建立計算電容裝置，包括計算電容本體，電容電橋、直角電橋和高等級激光干涉儀。與已有的量子化霍爾電阻相結合，宏觀測量精細結構常數;
（二）主要研究內容
研制帶運動電極的立式計算電容器，研制電容電橋和直角電橋, 建立新的電容基準；并與已有的量子化霍爾電阻相結合，確定克里青常數Rk，由此宏觀測量精細結構常數。
（三）主要技術參數和考核指標
研究克服端部效應的補償方法。新的電容基準不確定度達到國際先進水平。精細結構常數宏觀測量，達到國際先進水平。


課題5  光輻射量子計量基準及關鍵技術研究
（一）目標
建立基于光子相關技術的光電探測器量子效率測量裝置；建立標準光電探測器的外量子效率模型；建立光譜比較系統；建立飛秒脈沖自相關儀及相位還原系統軟件；建立飛秒脈沖光譜相位相關儀。
（二）主要研究內容
利用相關光子測量技術建立光電探測器量子效率測量裝置。建立550nm～950nm波長范圍內標準光電探測器外量子效率模型及高準確度的光譜比較系統的。復現坎德拉新技術的研究。基于光電探測器量子效率的激光功率能量測量的研究。
（三）主要技術參數和考核指標
基于量子物理的光輻射計量基準建立的研究，建立基于光子相關技術的光電探測器量子效率測量裝置一套，測量探測器量子效率的不確定度為1%；
建立標準光電探測器的外量子效率模型，解決激光波長間光輻射功率測量問題，550nm～950nm標準光電探測器一組，標準光電探測器的光譜響應度不確定度為0.03%；
建立光譜比較系統，解決從相干光到非相干光的測量的過渡，光譜比較系統波長范圍：500nm～1000nm，光譜比較準確度:0.08%，波長準確度0.1nm；
進行復現坎德拉新技術的研究，555nm光度計響應度定標不確定度0.08%；研制用于光度計響應度量值保存和傳遞的標準光度計一組，其V（λ）匹配誤差小于2.5%，紅外響應誤差小于1%，紫外響應誤差小于0.5%，示值誤差0.5%；
實現新的激光功率、能量復現技術的研究，激光功率（0.1mW-100mW）基準的測量不確定度由目前的0.4%(k=2)降低到0.1%(k=2)，激光功率（0.1W-70W）基準的測量不確定度由目前的0.8%(k=2)降低到0.2%(k=2)，脈沖激光能量基準的測量不確定度由目前的1.0%(k=2)降低到0.4%(k=2)；
建立飛秒脈沖自相關儀、光譜相位相關儀，實現飛秒脈沖時域寬度、光譜相位的測量，并根據相位還原飛秒脈沖的脈沖寬度和脈沖波形。考核指標：時域測量范圍：100fs～30fs，測量不確定度：<15%，測量光譜寬度：700nm～900nm，光譜相位不確定度：<10%；
建立光學材料逆反射性能檢測標準裝置、實現逆反射系數，逆反射強度等量值的傳遞。裝置測量精度：5%，標準樣品均勻性優于8%。


課題6  阿伏加德羅常數測量及固體密度基準研究
（一）目標
以國際阿伏加德羅工作組為背景，對技術上有較大潛力并有希望取得重要突破的項目---硅球密度和單晶硅原子量展開研究。主要目標：建立一套固體密度基準，實現單晶硅球測量不確定度優于5×10-8，達到國際領先水平；突破單晶硅原子量精密測量關鍵技術，實現硅原子量測量不確定度優于2×10-7；阿伏加德羅常數的測量不確定度達到目前國際先進水平（具體指標同時取決于CODATA數據庫中晶格常數或硅原子量測量結果）。
（二）主要研究內容
采用X射線晶體密度法測定阿伏加德羅常數：通過測定單晶硅球的宏觀密度---硅球的質量除以體積，單晶硅的原子量---數值上等于硅的摩爾質量，利用“國際數據委員會（CODATA）”提供的晶胞的體積---晶格常數和晶胞原子數，求得阿伏加德羅常數。主要研究內容包括
?硅球密度測量。立足于新的技術原理，研究新的測試方法，以突破目前國際上常用測量方法之不足。內容包括建立以“相移法”為基礎的真空測長系統，研究非接觸溫度測量方法，實現表面形貌分析法和橢圓偏振測量儀聯合精密測量硅球表面的氧化層厚度，研究硅球質量測量方法等。
?硅原子量的測量。采用質譜法測量硅原子量：研究新的測試技術和流程，研究MS系統誤差校準模式，研究分餾效應和質量歧視造成的系統誤差，降低儀器本底和記憶效應，獲得高準確度的同位素豐度比進而準確測定原子量。
（三）主要技術參數和考核指標
?        單晶硅球密度標準不確定度優于5×10-8。其中硅球直徑測量準確度優于0.5nm；氧化硅層厚度優于1nm；溫度測量準確度優于2mk，石英線脹系數優于0.02%，硅球質量測量準確度優于10μg；
?        對高純硅28原子量測量不確定度達到6×10-8；對高純的硅-28物質中硅-29與硅-30雜質含量的準確測定，使硅原子量測量不確定度優于2×10-7。
?        利用阿伏加德羅常數工作組提供的晶格常數或硅原子量（視國外原子量的研究進展）求得阿伏加德羅常數，進行測量結果的不確定度評定，技術指標達到目前國際先進水平。


課題7  同位素豐度基準的研究
（一）目標
建立同位素豐度基準的理論模式，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度基準，包括基準測量方法和同位素豐度基準物質,其中主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％；測量硒、鐿元素的原子量，原子量測量值的不確定度好于目前國際標準值的不確定度。在同位素測量方面形成具有獨立知識產權的、達到國際先進水平、具有國際競爭力的技術標準；培養、形成一只高素質的、具備攻關能力和競爭力的、人員分工配置合理的科研團隊；在此基礎上，不斷自主研發我國的同位素豐度基、標準，建立并逐步完善相應的溯源體系。
（二）主要研究內容
研究同位素豐度基準的建設方案；通過質譜測量技術研究，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度測量基準方法；進而研制鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準物質和標準物質；測量硒、鐿元素的原子量。
（三）主要技術參數和考核指標
1)同位素豐度基準建設方案研究報告；
2)鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準測量方法和基準物質；
3)主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％（視元素不同而定）；
4)鋅、釤、硒、鎘同位素豐度標準物質達到國家一級標
5)準物質水平；
6)硒、鐿原子量測量研究報告，原子量測量值的不確定度好于目前國際標準值的不確定度。


課題8  冷原子納米尺度計量基準關鍵技術研究
（一）目標
建立冷原子納米尺度計量基準，完成冷原子沉積系統實驗裝置，開展冷原子光柵線距標準的實驗，獲得冷原子沉積結構；爭取1～2項達到國內領先水平；
（二）主要研究內容
以冷原子物理為基礎，利用原子和光的相互作用，實現原子的有序聚焦沉積，最終得到冷原子納米尺度計量基準，為制作納米計量標準傳遞提供更加精確的技術手段。
（三）主要技術參數和考核指標
設計加工原子沉積腔及真空系統、原子操控系統光學元器件、真空系統安裝和聯機實驗、激光頻率控制系統和原子操控系統，獲得冷原子熒光信號，在室溫條件下，冷原子沉積腔的真空度達到1×10-8mbar；實現冷卻激光的頻率穩定，頻率波動范圍小于250kHz；觀測到橫向冷卻的原子熒光信號。完成冷原子沉積實驗裝置，制成微結構光柵樣品。


課題9  基于電子隧道效應量子電流基準關鍵技術研究
（一）目標
突破量子隧道效應量子電流基準關鍵技術：對于單電子隧道效應電子輸運的量子電流基準的關鍵技術和困難，分析其成因與影響，對其形成機理進行物理學分析，完成對有關單電子器件的特性分析和設計。在實驗和精密測試的基礎上，探索量子電流基準的特性。
（二）主要研究內容
1.研究半導體異質結準二維電子氣的物理參數對單電子輸運特性的影響，特別是在準一維量子線中，雜質或電子遷移率對電子彈道式運動的影響。雜質形成的靜態量子點在行波電場作用下的行為；
2.在微波波段為準二維電子氣設計、制作行波電場叉指換
能器，測試并研究其頻響特性，使之滿足單電子器件的要求；
3.設計改善單電子器件的制作工藝，利用國內、外的光刻、電子束刻蝕設備制作單電子器件；
4.對單電子器件的各個部件進行理論分析、計算模擬，以確定其電子輸運特性；
5.尋找聲電電流量子化的物理起因和最佳電流平臺；
6.開展微弱電流測試技術的研究，研究其隨機電報噪聲，串話及聲波體波反射等因素的抑制，實現pA（10-12安培）量級的低電平電流精密測量。
（三）主要技術參數和考核指標
1.單電子器件量子物理特性研究：研究行波電場對單個電子的搬運現象，尋求聲電電流量子化的條件，研究分裂門勢能位形、雜質量子阱的影響，以便得到最佳的量子化平臺；
    2.與上述研究同步，進行準一維量子線單電子器件設計、制作的實驗研究。進行深低溫實驗與理論分析，繼而改進、優化器件性能；
3.進行有關量子電流基準關鍵技術與特性測試方法研究，建成其測試裝置和測量系統。