以量子物理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代計(jì)量基準(zhǔn)研究簡(jiǎn)介

《以量子物理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代計(jì)量基準(zhǔn)研究》是為落實(shí)國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》和《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》，而啟動(dòng)的“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。一共包括9個(gè)課題，如下：課題1、能量天平質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究；
課題2、可編程約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)研究；
課題3、玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量及熱力學(xué)溫度基準(zhǔn)研究；
課題4、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)的研究；
課題5、光輻射量子計(jì)量基準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)研究；
課題6、阿伏加德羅常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究；
課題7、同位素豐度基準(zhǔn)的研究；
課題8、冷原子納米尺度計(jì)量基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究
課題9、基于電子隧道效應(yīng)量子電流基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究
以下分別作簡(jiǎn)要介紹。
課題1  能量天平質(zhì)量量子基準(zhǔn)研究
（一）目標(biāo)
發(fā)展互感精密測(cè)量技術(shù)，測(cè)量不確定度達(dá)到1×10-7；以此為基礎(chǔ)建立一套“能量天平”裝置，實(shí)現(xiàn)我國的量子質(zhì)量基準(zhǔn)。并完成用此套裝置對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
建立用于復(fù)現(xiàn)質(zhì)量單位的高精度真空天平；研制激光定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)互感量測(cè)量中線圈在幾個(gè)不同位置的精密定位到零點(diǎn)幾納米；設(shè)計(jì)和研制精密線圈系統(tǒng)，要求其互感量能對(duì)幾何位置的變動(dòng)不敏感；研制精密電流源，實(shí)現(xiàn)互感量測(cè)量和天平力的測(cè)量；最后實(shí)現(xiàn)互感精密測(cè)量，達(dá)到用互感量的測(cè)量來吸收“幾何因子”的目的，建立能量天平測(cè)量裝置。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
互感測(cè)量1×10-7，建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)裝置，完成用此裝置對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量，達(dá)到國際先進(jìn)水平。


課題2  可編程約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)研究
（一）目標(biāo)
建立一套可編程約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
直流方面要研究減少精密測(cè)量環(huán)節(jié)引入的誤差，降低系統(tǒng)的A類不確定度，使系統(tǒng)滿足可攜帶的要求。在產(chǎn)生動(dòng)態(tài)交流信號(hào)方面主要研究SINIS結(jié)陣的動(dòng)態(tài)特性、微波源及傳導(dǎo)系統(tǒng)、臺(tái)階電壓的激勵(lì)方式、結(jié)陣偏置源傳輸線路、交流信號(hào)處理電路、正弦波的合成與誤差分析。以及掌握量子器件制作的關(guān)鍵技術(shù)方面的研究。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
直流1伏：      不確定度達(dá)到 5×10-9；
交流1伏（50Hz）不確定度達(dá)到 1×10-5


課題3  玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量及熱力學(xué)溫度基準(zhǔn)研究
（一）目標(biāo)
建立測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)和輻射法、噪聲法測(cè)量熱力學(xué)溫度裝置，測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)達(dá)到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1×10-4；測(cè)量新高溫金屬-碳共晶點(diǎn)和銀（或銅）凝固點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到3×10-4；測(cè)量氬三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到1×10-4。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
建立測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，解決相關(guān)的關(guān)鍵性技術(shù)，并開展測(cè)量玻爾茲曼常數(shù)的研究，測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度好于1×10-4。
建立輻射法測(cè)量熱力學(xué)溫度的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量銀（或銅）凝固點(diǎn)和新固定點(diǎn)高溫金屬-碳共晶點(diǎn)鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點(diǎn)熱力學(xué)溫度，測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到3×10-4以內(nèi)。
開展噪聲法測(cè)量熱力學(xué)溫度研究，掌握噪聲溫度計(jì)測(cè)量用低電磁干擾、絕熱熔化溫坪技術(shù)，開展氬三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度測(cè)量，測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到1×10-4。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
1)玻爾茲曼常數(shù)的測(cè)量研究，測(cè)量的相對(duì)不確定度達(dá)到1×10-4；
2)金屬-碳共晶點(diǎn)（鈷-碳、鉑-碳、錸-碳共晶點(diǎn)）和銅（或銀）凝固點(diǎn)熱力學(xué)溫度測(cè)量，測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到3×10-4；
3)氬三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的測(cè)量，測(cè)量的相對(duì)不確定度達(dá)到1×10-4。


課題4  精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及電容基準(zhǔn)的研究
（一）目標(biāo)
建立計(jì)算電容裝置，包括計(jì)算電容本體，電容電橋、直角電橋和高等級(jí)激光干涉儀。與已有的量子化霍爾電阻相結(jié)合，宏觀測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù);
（二）主要研究?jī)?nèi)容
研制帶運(yùn)動(dòng)電極的立式計(jì)算電容器，研制電容電橋和直角電橋, 建立新的電容基準(zhǔn)；并與已有的量子化霍爾電阻相結(jié)合，確定克里青常數(shù)Rk，由此宏觀測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
研究克服端部效應(yīng)的補(bǔ)償方法。新的電容基準(zhǔn)不確定度達(dá)到國際先進(jìn)水平。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)宏觀測(cè)量，達(dá)到國際先進(jìn)水平。


課題5  光輻射量子計(jì)量基準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)研究
（一）目標(biāo)
建立基于光子相關(guān)技術(shù)的光電探測(cè)器量子效率測(cè)量裝置；建立標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器的外量子效率模型；建立光譜比較系統(tǒng)；建立飛秒脈沖自相關(guān)儀及相位還原系統(tǒng)軟件；建立飛秒脈沖光譜相位相關(guān)儀。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
利用相關(guān)光子測(cè)量技術(shù)建立光電探測(cè)器量子效率測(cè)量裝置。建立550nm～950nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器外量子效率模型及高準(zhǔn)確度的光譜比較系統(tǒng)的。復(fù)現(xiàn)坎德拉新技術(shù)的研究。基于光電探測(cè)器量子效率的激光功率能量測(cè)量的研究。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
基于量子物理的光輻射計(jì)量基準(zhǔn)建立的研究，建立基于光子相關(guān)技術(shù)的光電探測(cè)器量子效率測(cè)量裝置一套，測(cè)量探測(cè)器量子效率的不確定度為1%；
建立標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器的外量子效率模型，解決激光波長(zhǎng)間光輻射功率測(cè)量問題，550nm～950nm標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器一組，標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)度不確定度為0.03%；
建立光譜比較系統(tǒng)，解決從相干光到非相干光的測(cè)量的過渡，光譜比較系統(tǒng)波長(zhǎng)范圍：500nm～1000nm，光譜比較準(zhǔn)確度:0.08%，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度0.1nm；
進(jìn)行復(fù)現(xiàn)坎德拉新技術(shù)的研究，555nm光度計(jì)響應(yīng)度定標(biāo)不確定度0.08%；研制用于光度計(jì)響應(yīng)度量值保存和傳遞的標(biāo)準(zhǔn)光度計(jì)一組，其V（λ）匹配誤差小于2.5%，紅外響應(yīng)誤差小于1%，紫外響應(yīng)誤差小于0.5%，示值誤差0.5%；
實(shí)現(xiàn)新的激光功率、能量復(fù)現(xiàn)技術(shù)的研究，激光功率（0.1mW-100mW）基準(zhǔn)的測(cè)量不確定度由目前的0.4%(k=2)降低到0.1%(k=2)，激光功率（0.1W-70W）基準(zhǔn)的測(cè)量不確定度由目前的0.8%(k=2)降低到0.2%(k=2)，脈沖激光能量基準(zhǔn)的測(cè)量不確定度由目前的1.0%(k=2)降低到0.4%(k=2)；
建立飛秒脈沖自相關(guān)儀、光譜相位相關(guān)儀，實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖時(shí)域?qū)挾取⒐庾V相位的測(cè)量，并根據(jù)相位還原飛秒脈沖的脈沖寬度和脈沖波形。考核指標(biāo)：時(shí)域測(cè)量范圍：100fs～30fs，測(cè)量不確定度：<15%，測(cè)量光譜寬度：700nm～900nm，光譜相位不確定度：<10%；
建立光學(xué)材料逆反射性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置、實(shí)現(xiàn)逆反射系數(shù)，逆反射強(qiáng)度等量值的傳遞。裝置測(cè)量精度：5%，標(biāo)準(zhǔn)樣品均勻性優(yōu)于8%。


課題6  阿伏加德羅常數(shù)測(cè)量及固體密度基準(zhǔn)研究
（一）目標(biāo)
以國際阿伏加德羅工作組為背景，對(duì)技術(shù)上有較大潛力并有希望取得重要突破的項(xiàng)目---硅球密度和單晶硅原子量展開研究。主要目標(biāo)：建立一套固體密度基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)單晶硅球測(cè)量不確定度優(yōu)于5×10-8，達(dá)到國際領(lǐng)先水平；突破單晶硅原子量精密測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硅原子量測(cè)量不確定度優(yōu)于2×10-7；阿伏加德羅常數(shù)的測(cè)量不確定度達(dá)到目前國際先進(jìn)水平（具體指標(biāo)同時(shí)取決于CODATA數(shù)據(jù)庫中晶格常數(shù)或硅原子量測(cè)量結(jié)果）。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
采用X射線晶體密度法測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)：通過測(cè)定單晶硅球的宏觀密度---硅球的質(zhì)量除以體積，單晶硅的原子量---數(shù)值上等于硅的摩爾質(zhì)量，利用“國際數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）”提供的晶胞的體積---晶格常數(shù)和晶胞原子數(shù)，求得阿伏加德羅常數(shù)。主要研究?jī)?nèi)容包括
?硅球密度測(cè)量。立足于新的技術(shù)原理，研究新的測(cè)試方法，以突破目前國際上常用測(cè)量方法之不足。內(nèi)容包括建立以“相移法”為基礎(chǔ)的真空測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)，研究非接觸溫度測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)表面形貌分析法和橢圓偏振測(cè)量?jī)x聯(lián)合精密測(cè)量硅球表面的氧化層厚度，研究硅球質(zhì)量測(cè)量方法等。
?硅原子量的測(cè)量。采用質(zhì)譜法測(cè)量硅原子量：研究新的測(cè)試技術(shù)和流程，研究MS系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)模式，研究分餾效應(yīng)和質(zhì)量歧視造成的系統(tǒng)誤差，降低儀器本底和記憶效應(yīng)，獲得高準(zhǔn)確度的同位素豐度比進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)定原子量。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
?        單晶硅球密度標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于5×10-8。其中硅球直徑測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5nm；氧化硅層厚度優(yōu)于1nm；溫度測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于2mk，石英線脹系數(shù)優(yōu)于0.02%，硅球質(zhì)量測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于10μg；
?        對(duì)高純硅28原子量測(cè)量不確定度達(dá)到6×10-8；對(duì)高純的硅-28物質(zhì)中硅-29與硅-30雜質(zhì)含量的準(zhǔn)確測(cè)定，使硅原子量測(cè)量不確定度優(yōu)于2×10-7。
?        利用阿伏加德羅常數(shù)工作組提供的晶格常數(shù)或硅原子量（視國外原子量的研究進(jìn)展）求得阿伏加德羅常數(shù)，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到目前國際先進(jìn)水平。


課題7  同位素豐度基準(zhǔn)的研究
（一）目標(biāo)
建立同位素豐度基準(zhǔn)的理論模式，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度基準(zhǔn)，包括基準(zhǔn)測(cè)量方法和同位素豐度基準(zhǔn)物質(zhì),其中主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％；測(cè)量硒、鐿元素的原子量，原子量測(cè)量值的不確定度好于目前國際標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度。在同位素測(cè)量方面形成具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、達(dá)到國際先進(jìn)水平、具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；培養(yǎng)、形成一只高素質(zhì)的、具備攻關(guān)能力和競(jìng)爭(zhēng)力的、人員分工配置合理的科研團(tuán)隊(duì)；在此基礎(chǔ)上，不斷自主研發(fā)我國的同位素豐度基、標(biāo)準(zhǔn)，建立并逐步完善相應(yīng)的溯源體系。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
研究同位素豐度基準(zhǔn)的建設(shè)方案；通過質(zhì)譜測(cè)量技術(shù)研究，建立鋅、釤、硒、鎘同位素豐度測(cè)量基準(zhǔn)方法；進(jìn)而研制鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；測(cè)量硒、鐿元素的原子量。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
1)同位素豐度基準(zhǔn)建設(shè)方案研究報(bào)告；
2)鋅、釤、硒、鎘的同位素豐度基準(zhǔn)測(cè)量方法和基準(zhǔn)物質(zhì)；
3)主同位素豐度值不確定度在0.5％－0.08％（視元素不同而定）；
4)鋅、釤、硒、鎘同位素豐度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)達(dá)到國家一級(jí)標(biāo)
5)準(zhǔn)物質(zhì)水平；
6)硒、鐿原子量測(cè)量研究報(bào)告，原子量測(cè)量值的不確定度好于目前國際標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度。


課題8  冷原子納米尺度計(jì)量基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究
（一）目標(biāo)
建立冷原子納米尺度計(jì)量基準(zhǔn)，完成冷原子沉積系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，開展冷原子光柵線距標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，獲得冷原子沉積結(jié)構(gòu)；爭(zhēng)取1～2項(xiàng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平；
（二）主要研究?jī)?nèi)容
以冷原子物理為基礎(chǔ)，利用原子和光的相互作用，實(shí)現(xiàn)原子的有序聚焦沉積，最終得到冷原子納米尺度計(jì)量基準(zhǔn)，為制作納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞提供更加精確的技術(shù)手段。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
設(shè)計(jì)加工原子沉積腔及真空系統(tǒng)、原子操控系統(tǒng)光學(xué)元器件、真空系統(tǒng)安裝和聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)、激光頻率控制系統(tǒng)和原子操控系統(tǒng)，獲得冷原子熒光信號(hào)，在室溫條件下，冷原子沉積腔的真空度達(dá)到1×10-8mbar；實(shí)現(xiàn)冷卻激光的頻率穩(wěn)定，頻率波動(dòng)范圍小于250kHz；觀測(cè)到橫向冷卻的原子熒光信號(hào)。完成冷原子沉積實(shí)驗(yàn)裝置，制成微結(jié)構(gòu)光柵樣品。


課題9  基于電子隧道效應(yīng)量子電流基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究
（一）目標(biāo)
突破量子隧道效應(yīng)量子電流基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)：對(duì)于單電子隧道效應(yīng)電子輸運(yùn)的量子電流基準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)和困難，分析其成因與影響，對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行物理學(xué)分析，完成對(duì)有關(guān)單電子器件的特性分析和設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)和精密測(cè)試的基礎(chǔ)上，探索量子電流基準(zhǔn)的特性。
（二）主要研究?jī)?nèi)容
1.研究半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)準(zhǔn)二維電子氣的物理參數(shù)對(duì)單電子輸運(yùn)特性的影響，特別是在準(zhǔn)一維量子線中，雜質(zhì)或電子遷移率對(duì)電子彈道式運(yùn)動(dòng)的影響。雜質(zhì)形成的靜態(tài)量子點(diǎn)在行波電場(chǎng)作用下的行為；
2.在微波波段為準(zhǔn)二維電子氣設(shè)計(jì)、制作行波電場(chǎng)叉指換
能器，測(cè)試并研究其頻響特性，使之滿足單電子器件的要求；
3.設(shè)計(jì)改善單電子器件的制作工藝，利用國內(nèi)、外的光刻、電子束刻蝕設(shè)備制作單電子器件；
4.對(duì)單電子器件的各個(gè)部件進(jìn)行理論分析、計(jì)算模擬，以確定其電子輸運(yùn)特性；
5.尋找聲電電流量子化的物理起因和最佳電流平臺(tái)；
6.開展微弱電流測(cè)試技術(shù)的研究，研究其隨機(jī)電報(bào)噪聲，串話及聲波體波反射等因素的抑制，實(shí)現(xiàn)pA（10-12安培）量級(jí)的低電平電流精密測(cè)量。
（三）主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)
1.單電子器件量子物理特性研究：研究行波電場(chǎng)對(duì)單個(gè)電子的搬運(yùn)現(xiàn)象，尋求聲電電流量子化的條件，研究分裂門勢(shì)能位形、雜質(zhì)量子阱的影響，以便得到最佳的量子化平臺(tái)；
    2.與上述研究同步，進(jìn)行準(zhǔn)一維量子線單電子器件設(shè)計(jì)、制作的實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)行深低溫實(shí)驗(yàn)與理論分析，繼而改進(jìn)、優(yōu)化器件性能；
3.進(jìn)行有關(guān)量子電流基準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)與特性測(cè)試方法研究，建成其測(cè)試裝置和測(cè)量系統(tǒng)。