淺談電流計(jì)量單位的量子化進(jìn)程

趙新華 孫永莉

（1.臨沂市檢驗(yàn)檢測中心，山東 臨沂276007；2.山東魯南眼科醫(yī)院，山東 臨沂276003）

0 序言

第26屆國際計(jì)量大會(huì)通過 《關(guān)于修訂國際單位制（SI）的1號(hào)決議》，安培等4個(gè)國際單位制的基本單位被重新進(jìn)行了定義，電流計(jì)量單位安培將用電子電荷e定義。國際單位制這次定義的改寫是它創(chuàng)建以來意義最為重大的一次，這次變革使國際測量體系第一次全部建立在不變的物理常數(shù)上，將保持國際單位制的長期穩(wěn)定性和客觀通用性。

1 量子化之前的歷史沿革

1.1 電流計(jì)量單位的最初定義

電流是電荷在導(dǎo)體中定向移動(dòng)形成的。在1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以前，電流的方向曾被規(guī)定為正電荷移動(dòng)的方向。為紀(jì)念法國科學(xué)家安培，電流單位被命名為安培（A）。1881年巴黎第一屆國際電學(xué)家大會(huì)決定增加電流為實(shí)用單位，它規(guī)定1伏特電勢(shì)差加在1歐姆電阻上產(chǎn)生的電流強(qiáng)度為1安培。1893年芝加哥第四屆國際電學(xué)大會(huì)上，為電流等實(shí)用單位規(guī)定了實(shí)物基準(zhǔn)，它規(guī)定若恒定電流通過硝酸銀溶液時(shí)，當(dāng)1秒內(nèi)有0.001 118克的銀析出時(shí)的電流強(qiáng)度即為1安培。這是電流計(jì)量單位歷史上第一次被稱之為“國際”單位，但是由于這一單位制并不完備，所以它提出后并未得到世界的普遍認(rèn)可。

1.2 電流計(jì)量單位的經(jīng)典定義

1948年第9屆國際計(jì)量大會(huì)決定正式廢除國際電學(xué)大會(huì)制定的電流的“國際”單位，重新定義了電流強(qiáng)度的單位。電流強(qiáng)度的單位被定義為：在真空中相距1米的兩無限長而圓截面可忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)通過一恒定電流，若這恒定電流使得這兩條導(dǎo)線之間每米長度上產(chǎn)生的力等于2×10-7N（牛頓），則這個(gè)恒定電流的電流強(qiáng)度就是1安培。但是上述理論定義在現(xiàn)實(shí)中無法復(fù)現(xiàn)，因?yàn)槎x中的兩根“無限長”的導(dǎo)線是無法實(shí)現(xiàn)的。

1960年10月第11屆國際計(jì)量大會(huì)決定采用安培為國際單位制的基本單位。根據(jù)歐姆定律，同一電路中通過導(dǎo)體的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟電阻成反比。對(duì)于電流、電壓、電阻這三個(gè)電磁學(xué)的計(jì)量單位，只要有了兩個(gè)，就可根據(jù)上述定律導(dǎo)出第三個(gè)。隨著約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，在很多計(jì)量基準(zhǔn)的建設(shè)中，常利用約瑟夫森效應(yīng)建立量子化電壓基準(zhǔn)，并利用霍爾效應(yīng)建立量子化電阻基準(zhǔn)，間接確立電流計(jì)量基準(zhǔn)。1990年起國際計(jì)量委員會(huì)在世界范圍內(nèi)建議啟用約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)，并給出了兩種標(biāo)準(zhǔn)中涉及的約瑟夫森常數(shù)和馮克里青常數(shù)的國際推薦值，它所涉及的兩個(gè)常數(shù)均與基本電荷量e有關(guān)。

1.3 基本電荷與電流

電荷的一個(gè)重要特性是它的量子性，任何帶電體的電荷都是某一基本單位的整數(shù)倍。在各種帶電微粒中，電子電荷量的大小是最小的。人們把最小電荷叫做元電荷，用符號(hào)e表示。1913年密立根用帶電油滴實(shí)驗(yàn)測得e=1.6×10-19C。2002年電子電荷的測得值e=1.60 217 653×10-19C，不確定度為8.5×10-8。

物理學(xué)家?guī)靵鲋赋觯魧?dǎo)線中載有1安培的穩(wěn)恒電流，則在1秒內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面積的電荷量為1庫侖。根據(jù)I=Q/t，即1 A=1 C/s=n·e/s，所以1 A=（6.2 415 095×1018）×（1.60 217 653×10-19）C/s。

基本物理常數(shù)以其恒定性使其可以很好的定義基本單位，不斷探索更精確更完善的常數(shù)定義基本單位是實(shí)現(xiàn)單位定義的基礎(chǔ)。2005年起安培采用電子電荷（e）來進(jìn)行定義。自2005年國際計(jì)量委員會(huì)起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)重新定義部分國際單位制基本單位的框架草案以來，隨著測量的深入，在國際間共同努力下，基本電荷量e的量值也越來越精確。

2018年11月16日，國際計(jì)量大會(huì)通過決議，1安培被定義為1 s內(nèi)通過（1 602 176 634）-1×1028個(gè)電子電荷所對(duì)應(yīng)的電流。基本電荷e以單位C，即A·s，表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為1.602 176 634×10-19來定義安培，即基本電荷的常數(shù)值e=1.602 176 634×10-19C，其不確定度優(yōu)于2.2×10-8。

2 電流計(jì)量單位量子化的意義

國際單位制電流基本單位在這次改革中發(fā)生了重大變化，由原先的宏觀物體和宏觀物理現(xiàn)象進(jìn)行定義，改為以量子理論為基礎(chǔ)的物理方法得出基本物理常數(shù)進(jìn)行定義。量子理論的研究已經(jīng)表明，量子效應(yīng)比宏觀效應(yīng)具有更好的不變性。基本物理常數(shù)測定值不確定度越小，由它定義的基本單位的準(zhǔn)確度越高。電流計(jì)量通過使用目前已知的基本物理常數(shù)定義計(jì)量單位進(jìn)而建立準(zhǔn)確度更高的國際通用電流計(jì)量基準(zhǔn)，為電流測量提供了全新的、更好的、統(tǒng)一的基礎(chǔ)，將對(duì)電磁學(xué)計(jì)量體系產(chǎn)生重要影響。

在新的定義下，可以藉此致力研究量子電流標(biāo)準(zhǔn)。隨著量子科學(xué)的興起，通過生成可控電子的電流源可以更精確的定義安培。得益于量子科學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域——“電子量子光學(xué)”所進(jìn)行的研究，單電子檢測技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。電子量子光學(xué)在納米尺度系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的控制，這項(xiàng)技術(shù)為高性能量子計(jì)算機(jī)的突破貢獻(xiàn)力量，它同樣催生了基于單電子的量子電流計(jì)量基準(zhǔn)的產(chǎn)生。量子電流計(jì)量基準(zhǔn)利用半導(dǎo)體單電子泵做為產(chǎn)生精確電流的電流源。基于單電子隧道效應(yīng)的單電子泵在導(dǎo)電的導(dǎo)電島和隧道結(jié)間施加固定電壓，在柵極上施加振蕩電壓。每一個(gè)激蕩周期內(nèi)經(jīng)隧道穿過的電子數(shù)目通過測量柵極電壓的振幅精確測量。振蕩電壓的幅值及頻率可以精確測量。電流與振蕩電壓頻率的關(guān)系可表示為：I=n·e·f。流過單電子泵的電流就可以由測得的電子數(shù)目與電子電荷量以及柵極電壓頻率的乘積得到。基于單電子泵的電流源可做成準(zhǔn)確度極高的電流自然基準(zhǔn)，可與約瑟夫森電壓基準(zhǔn)和量子化霍爾電阻基準(zhǔn)相互聯(lián)系、互相驗(yàn)證，形成完備的基準(zhǔn)體系，為直接復(fù)現(xiàn)電流單位安培提供基礎(chǔ)。

電流計(jì)量單位的重新定義意義還在于可以滿足國際單位制在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確使用的要求，支撐國際貿(mào)易、高科技制造業(yè)、人類健康與安全、環(huán)境保護(hù)、全氣候研究與基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，保持國際單位制的長久穩(wěn)定性、內(nèi)部一致性，便于以當(dāng)前最高水平的自然理論描述并實(shí)際復(fù)現(xiàn)。

3 電流計(jì)量單位重新定義對(duì)今后的影響

國際單位制電流基本單位的重新定義，使電流計(jì)量從特定實(shí)物基準(zhǔn)過渡到自然基準(zhǔn)之上。安培的新定義只和一定時(shí)間內(nèi)通過的電子數(shù)有關(guān)，并不涉及復(fù)現(xiàn)方式，只要具備復(fù)現(xiàn)條件的實(shí)驗(yàn)室均可復(fù)現(xiàn)，大大減少長鏈條量值傳遞造成不確定度增大。復(fù)現(xiàn)定義不再受時(shí)間、空間及人的因素的影響，不會(huì)隨時(shí)間改變而變化，所復(fù)現(xiàn)的電流量值將具有高度的時(shí)間穩(wěn)定性。自此以后，電流單位將更加統(tǒng)一可靠、穩(wěn)定一致，準(zhǔn)確度也將不斷提高。

電流計(jì)量單位量子化以后，實(shí)現(xiàn)電流計(jì)量單位量值傳遞方式也將進(jìn)一步扁平化。新的量值傳遞體系將會(huì)逐步改變過去的傳遞模式，使計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)隨地復(fù)現(xiàn)，變得效率更高。量值傳遞不再依賴單一基準(zhǔn)，將來可以根據(jù)需要建設(shè)更多的高準(zhǔn)確度的區(qū)域化計(jì)量中心進(jìn)行量值傳遞溯源。利用量值傳遞扁平化的條件可建立起全新的測量體系。未來量子化的電流計(jì)量基準(zhǔn)也可與新興的5G等新技術(shù)結(jié)合，量值傳遞鏈條必將更短、實(shí)現(xiàn)的速度也更快、結(jié)果更準(zhǔn)確。

隨著國際單位制變革的深入，必將對(duì)技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。雖然目前我國的計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)還比較薄弱，測量技術(shù)和相關(guān)儀器裝備研究制造還相對(duì)落后，但是隨著計(jì)量單位量子化后測量精度的提高，必將催生新的測量技術(shù)，引發(fā)技術(shù)創(chuàng)新，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來的測量也可把最高測量精度直接賦予生產(chǎn)制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定。今后必將出現(xiàn)能夠保持長期穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，更利于獲得可靠的測量數(shù)據(jù)，推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的進(jìn)步。國際單位制實(shí)現(xiàn)量子化，新的測量方法和測量儀器將不斷涌現(xiàn)，量子測量技術(shù)將不斷發(fā)展，將促進(jìn)計(jì)量技術(shù)的全面創(chuàng)新，持久地影響科技和社會(huì)的發(fā)展。