До 2018 года единица массы СИ, килограмм, определялась как масса реального объекта: международного прототипа килограмма, хранящегося в охраняемом помещении на окраине Парижа. 16 ноября 2018 года килограмму было дано новое, принятое во всем мире определение, основанное на трех определяющих константах: скорости света, постоянной Планка и частоте сверхтонкого перехода цезия. Одним из методов измерения массы, основанным на новом определении, является устройство, названное весами Киббла.

Несмотря на текущую точность измерений этого устройства, его компоненты могут быть улучшены, чтобы уменьшить источники неопределенностей. В новом исследовании, опубликованном в EPJ Techniques and Instrumentation, Дарин Хаддад и ее коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) показывают, как новый, оптимизированный подход к конструкции весов Киббла может еще больше повысить их точность.

Сегодня весы Киббла позволяют исследователям измерять массы в макромасштабе, основываясь непосредственно на фундаментальных квантовых принципах. Для этого измеряются два квантовых эффекта: названный эффектом Джозефсона, и квантовое сопротивление Холла (QHR) — квантованная форма электрического сопротивления, которое можно измерить в двумерных материалах при низких температурах, когда они подвергаются воздействию сильных магнитных полей. В настоящее время QHR реализуется в отдельном эксперименте вне измерительной системы, что вносит неопределенность в общее измерение весов Киббла.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из NIST разрабатывают комплект квантовой электромеханической метрологии (QEMMS). Это устройство реализует QHR непосредственно в электрической цепи весов Киббла и системы измерения напряжения Джозефсона, что устраняет любую погрешность калибровки.

В своем исследовании команда Хаддада представила оптимизированную конструкцию для QEMMS, предназначенную для масс от 10 до 200 г. Они показали, что для масс в 100 г измерения могут быть выполнены с относительной погрешностью всего 2x10^-8, что дает значительные улучшения по сравнению с предыдущими конструкциями весов Киббла. В результате QEMMS вскоре позволит исследователям проводить независимые сверхточные измерения макроскопических масс, что значительно улучшит их экспериментальные данные.