挑戰長度測量的極限

“阿伏伽德羅常數（NA）測量是對‘千克’進行重新定義最有前途的方法之一。現在，我們突破了阿伏伽德羅常數測量技術的瓶頸，為重新定義‘千克’走出了非常關鍵的一步。”前不久，《測長方法創新及固體密度基準的建立》項目榮獲2011年度國家科技進步二等獎，項目負責人、中國計量院研究員羅志勇說，這一凝聚了項目組十幾年心血的成果最重要的意義在于，它實現了測長技術的實質性創新。

    長度測量的極限

     在國際計量單位制（SI）的7個基本物理量中，6個已由量子基準復現，目前只有質量的單位“千克”仍沿用實物基準標準——千克砝碼原器來進行復現。最近，著名的英國《自然》雜志評出最具挑戰性的世界五大科學難題，其中之一就是“對‘千克’進行重新定義”。而羅志勇他們研究的阿伏伽德羅常數（NA）測量就是對“千克”進行重新定義最有前途的方法之一。除此之外，阿伏伽德羅常數測量還用于定義另一個基本量——物質的量的單位“摩爾”，對于在原子、分子和量子水平上研究和解決計量基標準問題十分重要。
    國際上以建立固體密度基準、測量阿伏伽德羅常數為目標的研究已有40多年的歷史。2000年以后由于頻率調制技術的發展，各先進國家都進入“激光變頻”時代。但每種方案都有其自身的局限性。
    2002年我國啟動了重大基礎研究專項——固體密度基準研究，并組建課題組。“項目核心技術是實現對硅球直徑亞納米級準確度測量，這幾乎是長度測量的極限，具有極高的技術難度。”在羅志勇的帶領下，課題組向這一國際計量界的難題發起了挑戰。

    汗水澆灌創新花

    “建立我國的新一代國家密度基準和實現測長技術實質性創新。”項目的目標只有簡單一句話，但羅志勇和他的團隊卻為此付出了多年的心血和汗水。
    每一個新方案的確定都是基于推翻其他方案的結果，課題組先后提出并篩選了20多種方案，但是各有優缺點，爭議不斷。直到2004年，課題組在國外多年技術積累的基礎上，提出機械掃描相移干涉法的測長方法。當羅志勇將這一新方案的構思說給課題組老科學家陳允昌聽時，陳允昌眼前一亮，再也沒有提出任何反駁意見。
    方案可行，原理可靠，可這和真正做出成果之間還有很大的距離，還需要大量實驗來論證方案的可行性。為提高測量系統的誤差，光驗證材料的回復性，就花了大半年時間；經常琢磨了很久，覺得某種方案可以用于解決問題，可最后實驗證明又是不對的，如此反復。
    功夫不負有心人。課題組最終利用這種擁有獨立知識產權的超高準確度測長方法——機械掃描相移干涉法，實現了對單晶硅球密度的絕對測量，實現NA測量重大技術突破，填補了國際該領域空白；利用該項術在國際上首次以激光變頻之外的方法建立了我國的固體密度基準，準確度達2×10-7（k=2），處于國際先進水平前列。

    領先突破應用廣

    除了核心技術，實現了測長方法重大突破，項目組提出的機械掃描相移干涉法，技術潛力高出國際現有激光變頻方法近1個數量級，達0.03納米，為國際首創。據羅志勇介紹，項目還實現測量全變量仿真，在溫度測控技術，信號去噪技術、氧化層厚度測量技術、密度量值傳遞技術等多方面都實現關鍵技術的實質性突破。
    成果發表后，得到國際同行的廣泛認可。2010年國際NA工作組主席Becker博士專程到訪羅志勇的實驗室，對項目的技術創新給予高度評價，稱其為“一項杰出的科學成就”。
    項目成果至今已得到廣泛運用。利用該項技術首次建成我國絕對密度測量系統，獲得國家質檢總局授權，將我國密度基準的準確度從5×10-6提高至2×10-7，結束了我國密度量值溯源長期依賴純水密度的歷史，測量能力躍居國際先進水平前列。在科學研究方面，機械掃描相移干涉技術已成為NA測量的支撐技術，并有進一步提高的潛力，為建立摩爾基準積累了核心技術。成果亞納米級測長準確度，滿足了精密加工、精密制造和裝配等我國發展較為薄弱工業領域，對小尺寸樣件或工件的微小變形、材料或工件熱脹系數的精確測量需求，對于提高我國特種工業領域國際競爭力，推動整體科技能力提升具有重要意義。