Tot 2018 werd de SI-eenheid van massa, de kilogram, gedefinieerd als de massa van een echt object:het International Prototype Kilogram, bewaard in een beveiligde faciliteit in de buitenwijken van Parijs. Op 16 november 2018 kreeg de kilogram een ​​nieuwe, internationaal geaccepteerde definitie, gebaseerd op drie bepalende constanten:de lichtsnelheid, de Planck-constante en de hyperfijne overgangsfrequentie van cesium. Een van de methoden om een ​​massa te meten op basis van de nieuwe definitie is een apparaat dat de Kibble-balans wordt genoemd.

Ondanks de huidige precisie van de metingen van dit apparaat, kunnen de componenten ervan worden verbeterd om bronnen van onzekerheden te verminderen. Door nieuw onderzoek gepubliceerd in EPJ Techniques and Instrumentation , Darine Haddad en collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST) laten zien hoe een nieuwe, geoptimaliseerde benadering van het ontwerp van de Kibble-balans de nauwkeurigheid ervan verder zou kunnen verbeteren.

Tegenwoordig kunnen onderzoekers met de Kibble-balans massa's op macroschaal meten, rechtstreeks gebaseerd op fundamentele kwantumprincipes. Om dit te doen, worden twee kwantumeffecten gemeten:het Josephson-effect en kwantum Hall-weerstand (QHR) - een gekwantiseerde vorm van elektrische weerstand, die kan worden gemeten in 2D-materialen bij lage temperaturen, wanneer ze worden blootgesteld aan sterke magnetische velden. Momenteel wordt QHR gerealiseerd in een afzonderlijk experiment buiten het meetsysteem, waardoor onzekerheden worden geïntroduceerd in de algehele meting van de Kibble-balans.

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelen onderzoekers van NIST de Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite (QEMMS). Dit apparaat implementeert QHR rechtstreeks in het elektrische circuit voor de Kibble-balans en het systeem voor het meten van de Josephson-spanning, waardoor elke kalibratieonzekerheid wordt geëlimineerd.

In hun onderzoek presenteert het team van Haddad een geoptimaliseerd ontwerp voor QEMMS, gericht op massa's variërend van 10 tot 200 g. Voor massa's van 100 g toonden ze aan dat metingen konden worden gedaan met een relatieve onzekerheid van slechts 2x10 ^-8 - biedt aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van eerdere Kibble-balansontwerpen. Als gevolg hiervan zou QEMMS onderzoekers binnenkort in staat kunnen stellen om onafhankelijke, ultraprecieze metingen van macroscopische massa's uit te voeren, waardoor hun experimentele gegevens aanzienlijk worden verbeterd. + Verder verkennen

Nieuwe meting zal helpen bij het herdefiniëren van internationale eenheid van massa