Методы квантовой метрологии

Наиболее эффективным способом повышения точности измерений является использование таких методов и средств измерений, которые свободны от многих видов погрешностей измерений и не требуют применения сложных методов коррекции. В этом отношении наиболее перспективными являются методы квантовой метрологии, основанные на квантовых эффектах, имеющих место на атомном и ядерном уровнях, а также бесконтактные спектрометрические (волновые) методы (особенно оптические), базирующиеся на естественных шкалах длин волн электромагнитного излучения [1].

Методы квантовой метрологииоснованы на использовании стабильных физических явлений и фундаментальных взаимодействий, обусловленных корпускулярно-волновой природой вещества и электромагнитного излучения. Большинство квантовых методов базируется на взаимодействии электромагнитного излучения с атомными частицами (атомы, электроны, протоны, атомные ядра и др.), находящимися в макроскопических количествах вещества. При этом используют главным образом макроскопические квантовые эффекты, т.е. такие эффекты и явления микромира, которые можно обнаружить на макроуровне. К ним относятся:

эффект Зеемана, заключающийся в расщеплении энергетических уровней атомных частиц на магнитные подуровни, создаваемые магнитным полем, и основанные на этом эффекте квантовые магниторезонансные явления;

эффекты Джозефсона и квантования магнитного потока, обусловленные макроскопическими квантовыми состояниями свободных электронов (куперовских пар) в сверхпроводниках;

квантовый эффект Холла, заключающийся в квантовании холловской проводимости (отношение тока через образец к напряжению Холла), имеющий место в сильных магнитных полях;

эффект Мессбауэра – ядерный гамма-резонанс, основанный на резонансном поглощении γ-квантов без отдачи энергии, и др.

Исходным для описания многих используемых физических явлений является известное квантовомеханическое соотношение Е= hf, в котором постоянная Планка h как бы перебрасывает мост между микро- и макромиром. При этом энергия Е является микроскопической характеристикой квантовых переходов между энергетическими уровнями микрочастиц, а частота f (или длина волны λ) излучения – макроскопической величиной, доступной измерению.

Квантовые методы и соответствующие средства измерений отличаются высокими метрологическими характеристиками и уникальными свойствами, которые обусловлены стабильностью физических явлений, лежащих в их основе. Функции преобразования квантовых измерительных преобразователей и приборов базируются на фундаментальных законах микромира и квантовомеханических соотношениях. Поэтому во многих случаях в качестве коэффициентов преобразования таких средств измерений выступают фундаментальные физические константы, обычно известные с высокой точностью, или коэффициенты, поддающиеся точному теоретическому расчету. Это кроме высокой точности преобразования обеспечивает переход к абсолютным измерениям и повышение метрологической надежности средств измерений, поскольку такие средства измерений не нуждаются в градуировке и периодической поверке.

Использование физических явлений, происходящих на атомном или ядерном уровнях, т.е. в недрах атома, позволяет создавать высокочувствительные средства измерений с порогом чувствительности, равным кванту энергии одной или небольшого ансамбля атомных частиц. По этой же причине метрологические характеристики квантовых приборов мало или вообще не зависят от изменений внешних факторов. При этом чем более глубинные явления используются, тем меньше эта зависимость. Квантовые преобразователи обычно не искажают состояния объекта исследования. В качестве информативного параметра выходного сигнала квантовых средств измерений во многих случаях выступает частота, являющаяся наиболее точно измеряемой физической величиной, которую легко, без искажений можно передавать на большие расстояния. Это позволяет сделать общедоступной высокую точность измерения не только в метрологической практике, но и при технических измерениях.

Квантовые методы уже нашли применение в метрологии для создания естественных эталонов единиц ряда физических величин. На их основе уже созданы эталоны единиц длины, времени и частоты, электрического напряжения, магнитной индукции, вторичный эталон температуры. Проводятся исследования по созданию естественных эталонов единиц массы на основе уточнения значения числа Авогадро, электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, силы тока на основе ядерного магнитного резонанса и др.

Совершенствование квантовых методов и их сочетание с современной элементной базой позволяют на их основе создавать не только высокоточные эталоны единиц физических величин, но также образцовые и рабочие средства измерений с уникальными характеристиками, которые не могут быть получены на основе применения классических методов.

Многие квантовые методы, в частности основанные на явлениях магнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, эффекте Мессбауэра, относятся к категории резонансных, поскольку в их основе лежит резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с системой атомных частиц. Их применение позволяет создавать высокоточные средства измерений, обладающие высокой чувствительностью, свойственной резонансным методам.

Лекция 8