استاندارد «کیلوگرم» در آستانه بازنشستگی

محققان انگلیسی و سوئدی موفق به ارائه روش جدیدی برای تعریف واحد کیلوگرم بر اساس اثر کوانتومی هال شده‌اند....

رای تعیین کیلوگرم از یک توده فلزی در پاریس استفاده می‌شود، اما اخیرا محققان انگلیسی و سوئدی فرضیه‌ای را ارائه کرده‌اند که با آن می‌توان این پارامتر را با استفاده از ثابت‌های بنیادین تعریف کرد.
آنها دریافته‌اند که مقاومت‌های کوانتومی هال، در نیمه‌ هادی‌ها و گرافن با عدم قطعیت 8.6 ضربدر 10 به توان منفی 11، برابر هم هستند. این مقاومت با استفاده از تقسیم ثابت پلانک بر مربع بار الکترون  به دست آمده و می‌تواند به ‌عنوان عددی جهت تعریف کیلوگرم به‌ شمار رود.
استاندارد کیلوگرم از ترکیب فلزات ایریدیوم و پلاتین ساخته شده و در اداره بین‌المللی اوزان و اندازه‌گیری (بی ای پی ام) پاریس نگهداری می‌شود. طی 60 سال گذشته، مقایسه‌های مختلف کپی‌های یکسان از این استاندارد، نشان می‌دهد که وزن این استاندارد در حال تغییر است؛ بنابراین محققان باید به ‌دنبال راه‌های جدیدی جهت تعریف کیلوگرم باشند که مبتنی بر ثابت‌های بنیادین باشد.
رایج‌ترین راه برای این کار «تعادل وات» است که در آن وزن یک ماده را با نیروی الکترومغناطیسی مقایسه می‌کنند. چنین مقایسه‌ای بر اساس این فرض کار می‌کند که نسبت ثابت پلانک بر مربع بار الکترون مستقل از جنس ماده است. در تعادل وات از این نسبت و همچنین مقاومت کوانتومی هال استفاده می‌شود تا با کمک آنها مقدار کیلو بر حسب ثابت پلانک به دست آید.
اثر هال، به ولتاژی گفته می‌شود که در یک ورقه فلزی که از آن جریان عبور می‌کند، بر خلاف وجه‌های آن فلز ایجاد می‌شود. برای داشتن این اثر لازم است تا یک میدان مغناطیسی عمود بر ورقه اعمال شود. این میدان، موجب می‌شود تا الکترون‌ها به ‌سمت یک وجه جریان پیدا کنند. به ‌طور معمول، تمایل الکترون به فاکتورهایی نظیر دانسیته الکترون در ماده و ضخامت ورقه بستگی دارد.
اثر هال، در ورقه‌هایی اتفاق می‌افتد که بسیار نازک هستند، به شکلی الکترون در یک فضای دو بعدی به سر می‌برد. اگر این ورقه در دمای پایین و میدان مغناطیسی بالا قرار داده شود، اثر هال اتفاق می‌افتد. اثر هال به‌ صورت کوانتایز شده بوده و دارای مقادیری مستقل از فلز به‌ کار رفته در آن است. زمانی که ولتاژ هال با جریان عبوری از ورقه مقایسه ‌شود، مقاومت هال برابر خواهد بود با اچ بر روی نپرین به توان دو، که ان  عدد کامل است.
«جی تی جانسن» از آزمایشگاه فیزیک ملی (ان پی ال) در انگلستان می‌گوید: برای این پدیده هیچ توضیحی وجود ندارد، با این حال تمام آزمایش‌ها حاکی از آن است که این رقم برای مقاومت کوانتومی هال، جهانی است.
«جانسن» می‌افزاید: هنوز چالش‌هایی در این پروژه وجود دارد، برای مثال نیرویی که توسط کویل مغناطیسی اعمال می‌شود، باید با دقت در جهت نیروی جاذبه زمین باشد.

منبع:دانشجویان فیزیک