اسماعیل مخلصی شنبه 19 بهمن 1392 06:32 ق.ظ نظرات ()

یکاهای «سیستم بین المللی» یاSI ، در واقع، با توافق بر قراردادهای بین المللی تعریف شده اند. اما امروزه علم اندازهگیری در فیزیک به دقتی رسیده که میتواند تعریفی مطلق از این یکاها داشته باشد. مدتی است که تعریف دوباره چند یکای بینالمللی پایه: آمپر، کیلوگرم، مول، و کلوین در دستور کار فیزیکپژوهان قرار گرفته است.


یک دستگاه نیمه رسانا می‌تواند جریان تک‌الکترون‌ها را اندازه‌گیری کند. این دستگاه در یک میکروگراف الکترونی روبشی (scanning electron micrograph) دیده می‌شود

فیزیک پژوهان موفق شده اند الکترونهایی را که از یک تراشه نیمه رسانا یکی یکی گذر میکنند ردیابی کنند. این آزمایش اجازه خواهد داد که بالاخره تعریفی منطقی از آمپر، واحد اندازه گیری جریان الکتریکی، بدست آید.

بنا به تعریفِ کنونی، آمپر به مقدار بار الکتریکی گفته می شود که در هر ثانیه از دو سیمِ بی نهایت دراز، که یک متر با یکدیگر فاصله دارند، گذر می کند، به طوری که سیم ها یکدیگر را با نیرویی برابر با 2x10-7 نیوتن بر متر جذب کنند. این تعریفی است نابهجا که در سال 1948 پذیرفته شد، مبنی بر یک آزمایش ذهنی که در بهترین حالت تنها میتواند به شکل تقریبی در آزمایشگاه بهدست آید. این تعریف، تقریباً به اندازه تعریفِ کیلوگرم، که به افت و خیزهای جرمِ یک استوانه 125 ساله پلاتینم و ایریدیم بستگی دارد و در دفتر بینالمللی اوزان و اندازهگیری ((BIPM در پاریس نگهداری میشود ، مایه شرمندگی است.

دیدگاهِ جدید، که در مقاله ای در 19 دسامبر بر روی وبگاهِ آرکایو گذاشتهشد، تعریفی دوباره از آمپر، بر حسب ثابتِ فیزیکی e ، که نمایانگر مقدار بار یک الکترون است، ارائه میدهد. مترولوژیستها (پژوهشگران علوم اندازهگیری) مدتها در جستجوی چنین تعریف منطقی ای بودند. استِفِن گیبلین(Stephen Giblin)، فیزیکپژوهی در آزمایشگاه ملی فیزیک National Physical Lab در تدینگتونِ (Teddington) انگلیس میگوید «انجامِ این کار بینهایت چالشانگیز است و این مقاله بسیار مهم است».

نتیجه این تحقیق در جلسه عمومی ماه نوامبر BIMP که در مورد اوزان و اندازهگیری خواهد بود، مورد گفتو گو قرار خواهد گرفت. در آنجا، مترولوژیستها به بحث در مورد پیشنهادِ تعریف دوباره آمپر، کیلوگرم، و دو واحد استاندارد (SI) دیگر- مول و کِلوین- این بار، نسبت به ثابتهای e، ثابت پلانک، ثابت آوگادرو، و ثابت بولتزمن، خواهند پرداخت.


یک پژوهشگر در PTB، در برانشویگ آلمان، یک تراشه نیمه رسانا را که دارای پمپ تک الکترونی است، کار می‌گذارد


تاکنون دو یکای پایه دیگر، یكاهای متر و ثانیه، بر حسب دو ثابت،یکی سرعت نور و دیگری، فرکانسی که در آن الکترونهای اتم سزیوم بین سطوح انرژی پرش میکنند، دوباره تعریف شدهاند.

فیزیکپژوه، هانس شوماخر Hans Schumacher، از موسسه فدرال امور فیزیکی و فنی(PTB) در برانشویگ (Braunschweig) آلمان، و همکارانش ، در آزمایش آمپر از یک پمپ تک- الکترونی استفاده کردند، دستگاهی که در آن ولتاژ، به صورت پالس (یعنی به شکل جهشی) دستگاهی که در آن تپ‌های ولتاژ، الکترونها را وادار میکند که تک به تک، به طریق مکانیک کوانتمی، از سدهایی تونل بزنند. پژوهشگران تک الکترونها را توسط مشاهده تغییرات در بار الکتریکی که در نقاطی بین سدها ذخیره میشوند ردیابی کردند. البته، پمپهای الکتریکی ابتدایی از سال 1990 موجود بودهاند، اما این اولین بار است که تغییرات در مقدار بار در هر بار پرشِ الکترونها(بین سدها) مشاهده میشود.

این پمپ فقط چند دوجین الکترون بر ثانیه را جا به جا کرد- این کندی برای انجام اندازهگیریهای دقیق لازم بود تا بدین شکل بتوان دلایلی اصولی برای تعریف دوباره آمپر بدست آورد. اما این تنها اولین قدم است: این دستگاه فاقد کاربرد عملی برای تنظیم اولیه آمپرمترهای اندازهگیریِ مقدار جریان، که به عملکرد صحیح در جریانهای شدیدتر نیزنیاز دارند، می‌باشد. هدف نهایی، ایجادِ یك دستگاه كاربردی است كه به‌راحتی با یک آزمایش تنظیمی استاندارد تنظیم شده و بتواند در هر آزمایشگاهی مورد استفاده قرار بگیرد. از این رو، هم اکنون رقابتی برای ترکیب روش شوماخر با پمپ جریانهای بالاتر آغاز شده است.

در سال 2012، گیبلین برای اولین بار یک پمپ تک الکترونی از مواد نیمه رسانا ساخت که حدود یک بیلیون الکترون بر ثانیه را جابهجا میکرد. اما او نمیتوانست الکترونها را تک به تک ردیابی کند. از انواع دیگر پمپها، «ترنستایل» ها (turnstiles) هستند که در آن الکترونها بین سیمهای ابررسانا تونل میزنند، و « پمپ اتصالتونلی» (tunnel junctions) که در آن الکترونها بین جزیرههای آلومینیمی که با لایههای عایق اکسید از یکدیگر جدا شدهاند، تونل میزنند. اما اینروش نیز نیاز به جریان بار نسبتاً خفیفی دارد تا بتوان الکترونها را تک به تک ردیابی کرد. جوکا پِکولا، فیزیکپژوهی در دانشگاه آلتو (Aalto University) در اِسپوی فنلاند (Espoo) ،که دیدگاههای مختلف را برای تعریف دوباره آمپر در سال 2013 مطالعه کرد، میگوید: ««غیر ممکن است بگوییم که کدام مفهوم برنده است».

با این وجود، آمپر و همچنین کلوین، هر دو، برای جلسه نوامبر، در وضعیت خوبی هستند. فرانسوا پیکمل، یک فیزیکپژوه در آزمایشگاه ملی مترولوژی و آزمون National Laboratory of Metrology and Testing در پاریس میگوید، مقدار بار الکترون و ثابت بولتزمن، هر دو بهطور دقیق اندازهگیری شدهاند، از این رو، هر دو واحد هم اکنون آماده تعریفی دوباره هستند.

اما این فرایندممکن است تا جلسه عمومی 2018 –ی BIPM به تاخیر بیانجامد. از آنجا که هر چهار واحد به همدیگر مرتبط هستند، بنابراین برنامه این است که آنها را در یک مرتبه تعریف کنند. و هم اکنون، واحدِ کیلوگرم ایجاد مشکل کردهاست. برای تعریف دوباره آن، دو رویکرد رقیب موجود است: یکی ترازِ قدرتِ (توان) الکتریکی ((a watt balance، که یک جرم آزمون را در مقابل گرانش زمین از نظر قدرت الکتریکی تراز میکند، و (راهِ دیگر) شمارش دقیق اتمها در کُرهای از سیلیکون. هر یک از این دو طریق، به جوابی کمی متفاوت میرسند. پیکمَل میگوید که قبل از اینکه واحدها دوباره تعریف شوند، این دو روش باید به توافق برسند.

Eugenie Samuel Reich