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中国计量科学研究院“量子化霍尔电阻课题”研究纪实

发明科技控中国仪表网2008年01月21日 10:56人气:510

 

 

  图为张钟华院士带领团队在做实验。

  当得知凝聚了自己17年心血的“量子化霍尔电阻项目”获得2007年国家科技进步一等奖的喜讯时,张钟华不禁老泪纵横。“不容易!不容易!”仿佛只有这句话才能表达出这位67岁中国工程院院士此时此刻激动的心情。是啊,整整17年的付出,终于结出了硕果,不容易!中国终于建立了拥有自主知识产权的量子电阻标准,而且比国外最高水平整整高出10倍,不容易!

  1月8日,张钟华院士作为课题组代表出席了国家科学技术奖励大会。他们所付出的努力和所做出的贡献得到了祖国和人民的高度赞誉。由中国计量科学研究院主导完成的这一研究课题究竟是如何创造出比国外同类装置最高水平高出整整10倍的奇迹呢?

  撑起计量的根基

  要建设创新型国家和节约型社会,提高产品质量,必须有准确的测量数据为依据。现代计量技术把测量数据溯源到国际单位制的7个基本单位,从而保证了测量数据的准确性。而量子化霍尔电阻支撑起了7个国际单位制中的3个,可以说支撑起了计量体系一半的根基,显得尤为重要。

  张钟华介绍,量子化霍尔电阻——这一对整个计量系统具有重大影响的现象是1980年由德国科学家冯·克利青发现的。他因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。与传统的实物电阻受温度、湿度等环境影响不同,量子化霍尔电阻完全取决于基本物理常数,理论上没有误差。

  “量子化霍尔电阻的发现是一个让全世界为之兴奋的事情!”1980年,张钟华作为中国计量专家出席了在德国召开的国际计量大会。“当冯·克利青发表自己的这一发现时,在场的各国科学家们兴奋不已。英国的科学家说他们要跑步回去研究,要抢先出成果。当时我在台下也暗暗下定决心,一定要建立拥有自主知识产权的量子电阻标准,要让中国也在国际计量科技领域占有一席之地。”

  各国都在抓紧时间建立自己的量子化霍尔电阻基准,不仅因为它在整个计量体系中的重要支撑作用,而且建立量子化霍尔电阻还涉及到国家某些技术主权。据介绍,国际上从1990年起就开始启用量子化霍尔电阻基准,但这项工作难度很高,世界上只有少数国家具有研究能力,那些未能建立量子化霍尔电阻基准的国家只能向具有能力的国家进行量值溯源。“在国际交往和发生贸易争端时,没有自主基准的国家实际上被取消了话语权。中国不能走这条路!”张钟华的话语气很轻,但分量很重。正是这种誓为祖国建立独立基准的信念和决心让课题组历经17年的艰辛,却始终没有放弃。

  量子化霍尔效应要在10万高斯的强磁场和零下272摄氏度超低温的条件下才能产生,要想实现冯·克利青所发现的这一物理现象,谈何容易?国外一些发达国家经过多年研究,系统的不确定度也仅达到10-8~10-9量级的水平。

  “要想有所突破就要比他们站得更高,攻克他们不能攻克的难点。”

  创新跃上世界之巅

  参加完国际计量大会,张钟华回国后就迫不及待地将计量领域的这一重大发现以及建立我国量子电阻标准的重要性,向有关部门作了汇报。然而,当时我国的计量事业百废待兴,国力和计量研究能力还不具备进行量子标准研究的条件。张钟华在焦急之余,只能先从理论上进行准备。国外的量子化霍尔电阻公式是对规则的长方形样品证明的,而张钟华带领的课题组在国际上首次证明了:对任意形状的霍尔器件,量子化时霍尔电阻均满足普遍公式,并在实验中得到了验证。“千万不要小瞧这个理论突破,一旦器件不受形状限制,就可以大大降低对工艺的要求。这样,我国就能自主生产核心部件,再也不用依赖进口了。”张钟华满脸的自豪。

  课题组实现的第二个创新核心技术就是他们在研究中找到了国外无法提高测量准确度的原因,并且找到了妥善的对策,从而大幅度改善了测量设备的信噪比和稳定性,提高了测量准确度。

  建立量子化霍尔电阻基准的困难主要是在测量系统方面。张钟华介绍,国外的测量系统信噪比很差,所以量子化霍尔电阻的高准确性没有得到充分体现。要想改善信噪比,可以增加有用信号或降低噪声,他们在这两个方面都取得了重大突破。

  在增加有用信号方面,国外研究机构最多能将电阻匝数增加到2000多匝,再增加就会出现电流跳跃的现象,无法正常工作,一首没人能解释其中的原因。而张钟华带领的课题组不仅找到了原因,还通过采用“非线性反馈适配器”消除了电流跳跃现象,比例绕组匝数提高8倍的情况下,系统仍能稳定工作;在降低噪声方面,他们通过采用“涡流屏滤波器”和氦气气压滤波器,降低了噪声影响。正是这两个方面的重要突破使得我国建立的量子化霍尔电阻标准装置优于国外十倍,不确定度达到了2.4×10-10,位列国际同类基准之首。

  发明了低温电流比较仪电桥在实际工作状态下的整体校验技术,保证了电桥比例的准确性,这是课题组实现的第3个创新核心技术。据介绍,国外没有这项技术,相应装置缺乏此方面的数据,其比例准确性也就不能得到确切保证。

  这3大创新的核心技术国外均未掌握,现在课题组已经申请了4项发明专利,并已通过初审。“要想站在世界之巅,就要攻克别人攻克不了的难题,唯有不断创新才能做到。”张钟华深有感触地说。

  出人意料的结果

  中国在量子化霍尔电阻研究方面的重大突破让世界同行对中国计量水平刮目相看。说到这,张钟华给记者讲了一个小故事: 2003年,为了检查各国用量子化霍尔电阻基准复现的100Ω电阻量值的一致性,国际计量局组织了有12个国家参加的100Ω国际关键比对。我国的比对时间为2003年4月11日到5月3日。课题组在规定时间内做完实验,提交了实验数据。在以后的两年多时间里,国际计量局迟迟未公布比对结果。2005年3月,正当张钟华他们焦急等待的时候,国际计量局通知他们再去巴黎做一次情况汇报。巴黎归来,两个月以后,2005年5月,国际计量局终于向全世界公布了比对结果。结果显示,我国的测量结果离平均值最近,不确定度最小!事后,课题组成员才知道,原来是中国的测试结果太好了,在参加比对的12个国家中,远远优于其他国家的测试数据。这样出人意料的结果让国际计量局的官员也不敢相信这是真的,所以迟迟未公布结果。直到听完课题组的论文汇报,他们才最终心服口服。

  “国际上承认我国的测量结果后,全世界的电阻量值都向中国数据靠拢。我们还受邀帮助国际计量局和丹麦、意大利等国建立和改进此种装置。这是我国计量工作历史上从未有过的重大成就,标志着我国的电学计量基准已跃居国际领先水平。”张钟华说。

  国家质检总局已于2006年12月批准量子化霍尔电阻为我国的国家基准。从2006年12月1日起,全国的电阻量值都将溯源到量子化霍尔电阻基准。我国原有的电阻实物基准(电阻线圈)的不确定度为5×10-7,改用量子化霍尔电阻基准后,不确定度降低到2.4×10-10,准确度提高了2000多倍。新的国家基准为在测试工作中取得准确的数据,提高我国产品质量打下了坚实的技术基础,通过国际比对取得互认也为我国有关产品的进出口争取了有利地位。

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