[论文解读] Precision measurements of the Planck and Avogadro constants

H. Bettin, Kenichi Fujii+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation参考文献 34被引用 15

一句话总结

本文通过瓦特天平实验和28Si球体实验，实现了对普朗克常数和阿伏伽德罗常数的高精度测量，阿伏伽德罗常数的联合不确定度达到1.5×10⁻⁸。这些结果为以基本常数定义千克提供了依据，确保了国际单位制的稳定性和普适性。

ABSTRACT

Precision measurements of the fundamental constants are tour de force of basic metrology, where the useful information is usually beyond the last digit of the measured value. They challenge theoretical models and measurement technologies and set a network of measurement equations on which a universal system of units can be built, which stems from the most basic concepts of physics. Because of their connection with the mass unit, the Avogadro and Planck constants are on the spotlight.

研究动机与目标

• 实现阿伏伽德罗常数相对不确定度低于10⁻⁸，以支持千克的重新定义。
• 解决不同实验方法获得的普朗克常数值之间的差异。
• 通过解决表面污染和晶格参数不确定度问题，提高硅球体质量与原子数测量的精度。
• 确保新国际单位制对千克的定义在测量不确定度范围内与历史国际原器保持一致。
• 通过比较从meV到MeV能量尺度的普朗克常数值，验证物理理论的内部一致性。

提出的方法

• 利用瓦特天平实验测量h/m(K)的比值，其中m(K)为国际原器的质量，通过机械功率与电功率的等效关系实现测量。
• 采用28Si富集的单晶球体，通过X射线干涉测量和精确的晶格参数测定，确定阿伏伽德罗常数。
• 应用关系式h/m(X) = N_A h / M，比较来自原子、核物理和宏观实验的普朗克常数值。
• 采用先进的表面表征技术，包括超精密离子束修整和等离子喷射加工，以减少表面形貌和污染的影响。
• 通过测量照明光束在时域中的宽度，校正光学干涉测量中的波前畸变。
• 利用从头算原子尺度模拟，建模硅表面的应力与应变场及其对晶格参数测量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过28Si球体实现阿伏伽德罗常数的相对不确定度低于1.5×10⁻⁸？
• RQ2 表面污染和球形度误差对硅球体原子计数精度有何影响？
• RQ3 瓦特天平与28Si实验在普朗克常数测量结果上的差异，如何影响基本常数的一致性？
• RQ4 波前畸变和光束像差在多大程度上限制了光学干涉测量晶格参数的精度？
• RQ5 硅晶体中的表面应力与应变效应能否被精确建模并校正，以提升晶格参数测量的精度？

主要发现

• 阿伏伽德罗常数的测量相对不确定度达到1.5×10⁻⁸，满足国际单位制重新定义的目标。
• 铜和镍硅化物的表面污染增加了测量不确定度，影响了光学常数和氧化层质量。
• 干涉测量中的球形度误差和波前畸变导致相位分布失真，其演化从球面到探测器具有非平凡特征。
• 2010年基本常数的最小二乘调整结果为h = 6.62606957(29)×10⁻³⁴ J s，被用作新国际单位制定义的最佳估计值。
• 不同实验获得的普朗克常数值之间的差异表明，测量模型或技术中可能存在潜在误差，需进一步研究。
• 利用原子尺度模拟对硅表面应力与应变场的理论建模揭示了其对晶格参数的显著影响，高精度测量中必须进行校正。