交流量子化霍尔效应的研究与应用

电阻有频率变差,电阻在交流状态下的溯源是计量领域的难题,以往采用交直流差可计算电阻实现了交流电阻的溯源,但存在稳定性和一致性较差的问题,当前采用交流量子化霍尔效应作为交流电阻标准成为计量领域的研究热点。其中需要解决交流量子化霍尔电阻及其向实物标准电阻传递的准确度问题。本文介绍了采用分裂式屏蔽结构克服交流量子化霍尔电阻频率误差的方法,研制10-8量级高准确度四端对电桥满足交流量子电阻的传递需求,研制完全等电位屏蔽结构的交流电桥校准装置保证四端对电桥的准确度,并介绍了交流量子电阻基准的应用领域。

交流量子化霍尔效应及其应用

利用量子化霍尔效应实现的直流电阻自然基准已经得到广泛应用，国际计量委员会给出了量子化霍尔电阻的国际推荐值作为各国统一电阻量值的依据。为了保持单位的一致性，交流阻抗的单位亦应溯源到量子化霍尔电阻，国际上因此开展了交流量子化霍尔电阻的研究。目前从交流量子化霍尔电阻传递出电容量值的不确定度已达到１～２×１０－７，可以基本满足实际工作中交流阻抗单位准确度的需要。要进一步提高交流量子化霍尔电阻的准确度，则需要在一些基础性的研究方面作更为深入的工作。

中国的量子化霍尔效应电阻标准

基于量子化霍尔效应建立的电阻量子化标准已在世界范围内取得了巨大的成功。为了从量子化霍尔电阻导出十进电阻量值,中国计量科学研究院建立了高准确度的低温电流比较仪。2000年中国和日本的双边比对表明,两国用量子化霍尔电阻导出的1Ω电阻量值仅差1.3nΩ,在公开发表的类似比对数据中为最好结果。中国计量科学研究院用计算电容法测定的Klitzing常数h/e^2的SI值为国际上四个最佳实验结果之一,已在1998年的新一轮基本物理常数平差工作中被正式采用。

电阻自然基准与量子化霍尔效应

1 引言 1990年1月1日,在电学单位中,伏特和欧姆的新的实用基准开始生效。这两项新基准是由国际度量衡委员会(CIPM)和它的电量咨询委员会(CCE)推荐的。新基准的实行将带来世界性的影响。它不仅改变电压和电阻的旧量值,而且也要影响到电流和功率的度量。对电磁测量来说,电阻单位具有特殊的重要性,因为它和电压单位一起可以导出电流、功率、电能等电学单位以及各种磁学单位。因此,电阻单位一直是电磁测量中具有根本性重要意义的单位之一。

我与“量子化霍尔效应”

我自1967年来到中国计量科学研究院（以下简称“计量院”），迄今已41年。这41年的一大半时间是和“量子化霍尔效应”一起度过的．至今已经形影不离相处了26年。

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应——无需外磁场的量子化霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)薄膜中掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)实现量子化反常霍尔效应的方法.

基于石墨烯的量子化霍尔电阻研究综述

电阻作为重要的元器件在电气电子及其他非电领域得到了广泛应用,对其阻值进行准确溯源和量值传递至关重要。相较于实物电阻计量标准,量子化霍尔电阻标准稳定性和准确性更高。目前我国国家/国防量子化霍尔电阻计量基准是基于砷化镓-铝砷化镓异质材料制成的,其对环境温度和外磁场要求高,普通计量实验室难以复现。石墨烯材料的出现为新型量子化霍尔电阻基准/标准的研制提供了可能。本文简述了石墨烯材料的制备方法及其量子化霍尔效应,介绍了石墨烯量子化霍尔效应的国外研究现状,分析了基于石墨烯材料的量子化霍尔电阻标准在研制过程中存在的问题,旨在为我国新型量子化霍尔电阻标准的研制提供参考。

量子霍尔电阻计量技术的应用与分析

目前国际上公认准确度最高的现代电阻计量技术是量子霍尔电阻计量技术,但是其量子化、非连续特性使它在实际计量应用中受到很多限制;围绕先进的电阻比较与计量技术进行分类对比与分析,同时为实现10-8量级相对不确定度的电阻计量给出可行的技术方案;并且针对不同方案给出分析结论,为相关计量实验室根据自身条件建立高准确度电阻计量标准提供重要参考;最后,针对目前国内外量子霍尔电阻的研究动向进行了介绍,特别对可能在室温环境工作的石墨烯量子霍尔电阻的发展潜力进行了简要说明。

交流量子电阻传递电桥的研制

国际单位制变革后,阻抗参数需溯源至量子化霍尔电阻,其中将交流量子电阻传递到被测交流标准电阻是主要难点之一,需要研制10^(–8)量级的阻抗电桥,而常规精密阻抗电桥的准确度在10^(–4)至10^(–5)量级,仅有四端对同轴阻抗电桥在理论上能实现10^(–8)量级的准确度,但结构十分复杂,需要多次平衡,其过程存在相互影响,使平衡收敛十分缓慢,测量效率很低,同时存在频点单一的问题。针对以上不足,提出微差补偿网络隔离供电和可调虚部补偿输入比例的措施,大幅提高电桥收敛速度,并实现用于交流量子电阻传递的多频点四端对同轴阻抗电桥。同时给出四端对同轴阻抗电桥的校验方法和整体验证的标准器,验证结果表明:研制的交流量子电阻传递电桥10∶1的测量不确定度达到10^(–8)量级。

量子质量标准

评述了由于约瑟夫森效应及量子霍尔效应在计量工作中的应用，使质量计量工作进入“量子质量标准”新阶段．

交流电阻标准研究进展

基于直流量子化霍尔效应建立的高水平直流电阻标准,促使人们积极研究交流量子化霍尔效应,以期建立更高准确度交流电阻标准的技术方案。但国外在这方面的探索遇到了一些困难。鉴于此,本文作者提出了有别于国外方案的新的技术路线。

计量生涯中值得回味的一段往事——记电单位改值的前前后后

用基本物理常数来定义SI单位是计量学领域的长久追求。1962年英国科学家Josephson发现了约瑟夫森效应（JE）,1980年德国的V.Kl鄄itzing教授发现了量子化霍尔效应（QHE）,他们都因此获得了诺贝尔物理学奖。将JE和QHE运用于电学计量,