Эффекты квантовой физики, обеспечивающие реализацию эталонов основных единиц измерения физических величин системы СИ

Формально, чисто количественно, развитие нанотехнологий можно охарактеризовать как переход человечества от мани пулирования величинами порядка “микро” -микрометр,микроампер, микросекунда и т.д.- к величинам порядка “нано” -нанометр, наноампер, наносекунда и т.д. Такой переход требует наличия новых единиц измерения физических величин и их в тысячу раз более точных эталонов.

Система единиц физических величин строится на основе физических теорий, отражающих существующие в природе взаимосвязи между ними. Это позволяет определять новые единицы физических величин через совокупность ранее определенных единиц, и, в конечном счете, через основные (независимые) единицы системы. В качестве основных выбирают единицы, которые могут быть воспроизведены эталонами или эталонными установками с наивысшей точностью, соответствующей уровню развития науки и техники в данную эпоху.

Без эталонов невозможно добиться сопоставимости результатов измерения, выполненных в различное время при помощи разных приборов. Совокупность эталонов образует эталонную базу. В нее входят эталоны основных единиц системы СИ. Рассмотрим некоторые из них.

Эталон метра. Согласно принятому в 1960 году Генеральной конференцией по мерам и весам определению, метр – это длина, равная 1650763,73 длины волны красно_оранжевого излучения атома криптона 86. Эталон метра – это комплекс аппаратуры, включающий интерферометры для точного измерения расстояний. Он позволяет воспроизводить метр со средним квадратическим отклонением не более 0,5 нанометра.

Атомная секунда, воспроизводимая цезиевымыми эталонами частоты и времени, равна 9192631770 периодам излучения,соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия . Данный эталон позволяет воспроизводить время с точностью ±1·10_12 секунды.

Эталоны, основанные на эффекте Джозефсона. Суть эффекта состоит в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Эффект предсказал теоретически английский студент Б. Джозефсон в 1962 г., за что в 1973 г. он получил Нобелевскую премию.

Эффект позволяет чрезвычайно точно измерять слабые магнитные поля (до 10_18Тл), малые токи (до 10_10А) и напряжение (до 10_15 В).

В системе СИ есть и другие эталоны, но именно эти связаны с квантовыми эффектами и могут быть использованы для калибровки нанотехнологических средств измерения и аппаратуры.