Genom att utnyttja tillverkningsmetoder utvecklade i samarbete med Chalmers avser projektet att utveckla de första storskaliga så kvanthall-arrayerna för realisering av resistansvärden ner till 100 Ω, som dessutom klarar mycket högre strömmar än idag. Kvanthall-arrayerna ska användas för att förbättra realiseringen av resistans och ström och minska antalet kalibreringssteg, och på så sätt minska mätosäkerheten betydligt. Teknologin gör det också möjligt att förbättra realiseringen av massa genom en så kallad Kibblevåg (se nedan).

Projektet är en del av RISE satsning på 2D-material och grafen.

Basenheter kopplade till fysikaliska naturkonstanter

Det internationella måttenhetssystemet SI omdefinierades senast 2019. Alla basenheter i SI är sedan dess kopplade till fysikaliska naturkonstanter via bland annat kvantmekaniska fenomen. Ett av dessa fenomen är kvanthalleffekten (Quantum Hall Effect, QHE) som används för att realisera resistansenheten.

Vad är kvanthalleffekten?

Den klassiska halleffekten uppstår när man skickar en ström genom en ledare bestående av ett 2D-material (endast ett eller ett fåtal atomlager) som påverkas av ett magnetfält vinkelrätt mot ytan av ledaren. Elektronerna påverkas då av magnetfältet och åker i väg mot sidorna på ledaren, så att den ena sidan av ledaren får en positiv laddning och den andra sidan en negativ laddning. Då uppstår en spänning tvärs över ledaren, vinkelrätt mot strömmens riktning. Denna effekt är linjär. Ju starkare magnetfält desto högre spänning vinkelrätt mot strömmens riktning.

Man kan jämföra den klassiska halleffekten med en dimmer. När vi vrider på dimmern så ändras magnetfältets styrka och därmed ökar spänningen vinkelrätt mot strömmens riktning. Men när vi vridit på dimmern så mycket att vi får ett väldigt starkt magnetfält händer något. Spänningen planar ut och håller sig på en och samma nivå, eller platå. När vi sedan fortsätter att öka magnetfältets styrka gör spänningen helt plötsligt ett hopp och stannar på en ny platå, och så vidare. Resistansen på respektive platå beror sedan endast på så kallade naturkonstanter. Det är detta fenomen som kallas för kvanthalleffekten.

Fördelen med att använda kvanthalleffekten är att den ger mycket exakta resistansnivåer som vi kan använda vid realiseringar. Nackdelen är att det idag finns ett begränsat antal resistansnivåer som är tillräckligt stabila för att användas i mättekniska sammanhang. I praktiken använder man endast en nivå nära 12,9 kΩ. Resistansnormaler på denna nivå används sedan för att kalibrera sekundärnormaler för att täcka hela resistansområdet. Kedjan av kalibreringar för att nå låga (<<100 Ω) och höga resistansvärden (>>10 kΩ) gör att mätosäkerheten ökar i varje steg.

Resistansnormaler på fler nivåer

Genom att koppla ihop flera ledare, eller kvanthall-element, till kvanthall-arrayer, blir det möjligt att hitta stabila platåer och realisera resistansvärden vid i princip vilken nivå som helst. En resistansnormal kan sedan jämföras direkt med kvanthall-arrayens resistansvärde vilket gör att vi kan ta fram primära resistansnormaler på fler nivåer än idag, utan att behöva kalibrera sekundärnormaler för att nå önskad nivå. Detta minskar mätosäkerheten betydligt.

Grafen och supraledande kontakter

Även om principen med kvanthall-arrayer visats tidigare har teknologiska begränsningar har gjort att användandet av kvanthall-arrayer inte har etablerats som en accepterad metod. Men genom att kombinera materialet grafen med supraledande kontakter av exempelvis niobnitrid är det möjligt att producera stabila kvanthall-arrayer, vilket demonstrerats i mindre skala av NIST i USA. De stora utmaningarna för att ta fram kvanthall-arrayer i stor skala är dels att säkerställa att alla kvanthallelement är exakt likadana, dels att ta fram en tillräckligt robust process för att undvika felkällor när elementen kopplas ihop.

Påverkar också Kibblevågen och realiseringen av kilogrammet

Då måttenhetssystemet omdefinierades 2019 ändrades också definitionen för massa från den internationella kilogramprototypen (en metallcylinder av platina och iridium som förvarats i Paris sedan den skapades år 1889) till att utgå från Plancks konstant. Realiseringen av massa i Sverige kommer i framtiden att ske med hjälp av en så kallad Kibblevåg. I Kibblevågen ingår att mäta en ström ytterst noggrant med hjälp av en 100 Ω-resistor. Denna resistor behöver vanligtvis kalibreras mot en traditionell kvanthallnormal med resistansvärde runt 12,9 kΩ inför varje mätning. Genom att byta ut resistorn i Kibblevågen mot en primärnormal kan man eliminera ett kalibreringssteg, vilket minskar mätosäkerheten och därmed förbättrar realiseringen av kilogrammet. Den typ av Kibblevåg som RISE utvecklar kräver en kvanthall-array med resistansvärdet 100 Ω som kan klara runt 10 mA ström, vilket inte uppnåtts tidigare.