"Чтобы добиться подобного результата, нам потребовалось три десятилетия фундаментальных исследований и разработок в разрезе множества областей знания, включая материаловедение, микроволновую технику, технологии получения сверхпроводников, электронику и системную интеграцию", говорит Сэм Бенц, руководитель Проекта по развитию и распространению системы квантовой метрологии напряжения. Проект проводится силами Подразделения квантовой электроники и фотоники в составе PML.
"И вот, наконец-то, нам удалось довести автоматизацию своей разработки до крайне высокого уровня. Благодаря этому новую систему смогут активно использовать исследователи и специалисти на предприятиях по всему миру", отмечает Бенц.
Сэм Бенц демонстрирует относительно небольшое количество оборудования, которое требуется для работы нового автоматизированного эталона напряжения. Интегральная схема, с помощью которой реализован переход Джозефсона, находится на нижнем конце стержня.
Очень похожая - хотя и менее удобная - модификация программируемого эталона единицы напряжения на основе эффекта Джозефсона (Programmable Josephson Voltage Standards; PJVS) от специалистов NIST уже применяется в Индии, Бразилии и Тайване. Китай также выразил свою заинтересованность в приобретении нескольких устройств. Об этом сообщает Дэйв Рудман из научной группы PML по разработке квантовых устройств.
"Единственный недостатком в данном случае является тот факт, что для обслуживания системы нужен, как минимум, доктор наук в области физики", говорит Рудман. "Поэтому мы и решили создать более простой в эксплуатации эталон. Если распространение новой автоматизированной системы будет проходить в соответствии с нашими планами, то уже в ближайшие пару десятков лет отпадет всякая необходимость в стандартных эталонах сравнения для передачи размера единицы напряжения, которые необходимо периодически повторно калибровать. Мы можем сделать первичные эталоны, которые можно запрограммировать на напряжение от 0 до 10 вольт, предельно простыми и достаточно дешевыми, чтобы практически любая лаборатория в мире могла получить их в свое распоряжение. Это реально уже сейчас".
Необычайная точность эталона достигается благодаря квантово-механическому явлению, характерному для джозефсоновских переходов *, которые состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонким барьером. Через этот барьер могут туннелировать пары электронов. Когда переход смещается под воздействием электротока, используемого для создания на переходе напряжения, он будет генерировать переменный ток с частотой, в точности определяемой исключительно уровнем напряжения. Когда переход подвергается дополнительному воздействию с помощью микроволн, колебания перехода синхронизируется с частотой микроволн, что позволяет создавать скачки напряжения с абсолютной величиной, которая определяется исключительно микроволновой частотой. А так как микроволны можно корректировать с огромной точностью, это же можно проделывать и с уровнем напряжения.
Эффект "квантования" (дискретизации) напряжения не зависит от условий окружающей среды или состава материала, из которого средствами микротехнологии изготовлены переходы. Поэтому эталоны единицы напряжения на основе эффекта Джозефсона (Josephson Voltage Standards; JVS) являются крайне важными и полезными. "Каждая система, основанная на этих эффектах, выдает ровно столько же напряжения, как и любая другая эталонная система, созданная по тем же принципам", говорит Бенц.
Интегральная схема, на базе которой специалисты NIST создали свой программируемый эталон постоянного и переменного тока с напряжением 10 вольт. Чип содержит около 300 000 сверхпроводящих джозефсоновских переходов, которые расположены вдоль проходящих горизонтально копланарных волноводов. Габариты устройства - 12 мм на 17 мм.
Однако до настоящего момента эти устройства были чрезвычайно сложны в производстве и эксплуатации. Каждый отдельный переход, чей барьер имеет толщину порядка 40 нанометров, генерирует не более нескольких десятков микровольт. Поэтому для генерации напряжений, которые необходимы для исследований в области промышленности и электроники, необходимы массивы из сотен тысяч переходов. Каждый из этих переходов должен быть практически идентичен остальным, а также подвергаться воздействию того же самого уровня микроволнового излучения. При этом воздействие на все переходы должно быть равномерным, чтобы устройством могло нормально работать.
Неудивительно, что эволюция современного эталона на эффекте Джозефсона прошла через несколько стадий, которые можно соотнести с новыми открытиями в области микротехнологий, а также с прорывами ученых в области изучения различных материалов и конфигураций. В 1984 году был создан первый эталон на 1 вольт, а к концу 80-х годов минувшего века технологии позволили создать массив переходов на 10 вольт в рамках сверхпроводящих интегральных схем. После чего системы JVS были взяты на вооружение крупными национальными метрологическими организациями по всему миру.
"В результате согласованность результатов измерений напряжения постоянного тока, выполненных в различных лабораториях, выросла на четыре порядка. Эти измерения теперь отличаются не более чем на несколько частей на 1010 (десять в десятой степени)", говорит Бенц, отмечая, что установка все еще нуждалась в усовершенствовании.
Самые первые модификации системы предназначались для точной реализации эталона какого-то конкретного уровня напряжения постоянного тока. Но науке и промышленности требовалась легко настраиваемая установка, которая способна выдавать произвольный уровень напряжения переменного и постоянного тока. Первый программируемый JVS (PJVS) был разработан специалистами NIST в начале 90-х годов минувшего века. Его создал физик Кларк Гамильтон, под руководством которого в то время работал Бенц. К слову, Хэмилтоному принадлежат многочисленные инновации в области проектирования логических схем для реализации переходов, которые продолжают развиваться и сегодня.
Для эффективной работы программируемых систем требуется, чтобы микроволновый сигнал разбивался на несколько каналов посредством волноводов. При этом переходы должны разделяться на несколько подрешеток, каждая из которых может быть активирована независимо от остальных. Кроме того, каждый переход должен очень быстро переключаться, а также производить крайне точные скачки напряжения в разрезе четко определенного диапазона тока смещения (переходы Джозефсона производят как положительные, так и отрицательные напряжения при дискретных ("квантованных") значениях).
Бенц и его коллеги представили первую программируемую систему на 1 вольт в 1997 году, а в 2006 году объявили о готовности полнофункционального аналога на 10 вольт. В 2008 году NIST добилась двадцатикратного роста точности калибровки устройств для измерения мощности. Все благодаря тому, что ученые разработали новую методику измерения, которая базировалась на механизме ступенчатого изменения напряжения с помощью PJVS.
К 2010 году команда исследователей создала передовую компоновку PJVS на 10 вольт для применения в метрологии постоянного и переменного тока. Она содержала 32 отдельных микроволновых каналов, которые воздействовали примерно на 300 тыс. переходов на базе сверхпроводников из ниобия, разделенных легированным ниобием кремнием. Эта комбинация материалов обеспечивает быстрое и стабильное переключение и низкий гистерезис. Микроволновая подсистема была улучшена благодаря внедрению передовых сверхпроводящих микроволновых делителей мощности (разветвителей) и фильтров.
Первая система была отправлена в Космический центр Кеннеди во Флориде, который находится в ведении НАСА. После успешного испытания появился спрос на новинку со стороны десятков эталонных лабораторий, военных организаций и частных компаний во всем мире, которым нужны высокоточные механизмы калибровки вольтметров для самых различных задач: от производства бытовой электроники до систем наведения ракет.
"Но за последние три года мы узнали, что многие люди, которые используют системы PJVS для решения подобных задач, забывают убедиться, что их системы работают с квантовой точностью". Говорит Бенц, "Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик необходимы дополнительные измерения и крайняя осторожность - даже при наличии достаточно подготовленного персонала, эффективного оборудования и программных средств. Многие люди не осознают, что измерения, которые являются в достаточно степени воспроизводимыми, все еще могут быть неточными. Мы поняли, что нужно еще существеннее автоматизировать эти системы. Нужно было довести автоматизацию до такой степени, когда система постоянно проверяет свое квантовое поведение, а для выполнения каждой конкретной задачи имеются четко определенные схемы измерений и программное обеспечение для их автоматизации".
"Например, для эффективной работы PJVS требуется идеальная фазовая синхронизации между различными входами. Таким образом, мы должны были как-то запрограммировать систему, чтобы та никогда не теряла фазовой синхронизации," говорит Бенц. "Мой коллега Стив Уолтман нашел способ сделать это. Все входящие каналы были неразрывно привязаны друг к другу, потому что они все стали генерировать микроволны при одинаковой частоте. Уолтман смог уменьшить стоимость приборов в три раза, а также добился упрощения системной интеграции".
Чарльз Берроуз (спереди) и Ален Рюфенахт рядом с системой PJVS на 10 вольт от NIST. Монитор слева показывает измеренное напряжение.
Для внесения некоторых корректировок не требуются обширные зрения в области инженерии или физики. Зачастую проблемы возникают из-за плохих источников электропитания на местах. Ранее системы состояли из отдельных компонентов, и пользователи иногда не совсем правильно все подключали. Так что теперь все оборудование размещается в одной монтажной стойке.
Когда работа над очередной модификацией JVS была завершена, появились очередные инновации. В ходе одного из тестов исследователи случайно установили слишком высокую мощность, но при этом они заметили, что система в подобной ситуации все еще сохраняла квантовую эффективность. В итоге ученые добились удвоения напряжения, что позволило избавиться от половины входящих каналов.
"Мы все еще тестируем различные усилители, чтобы найти наилучший вариант для работы с этой интегральной схемой", говорит Рудман. "Но теперь у нас есть возможность подготовки устройств "под ключ". Благодаря удобному компьютерному интерфейсу пользователь может заставить систему PJVS сгенерировать любое напряжение от 0 до 10 вольт, и она отлично справится с задачей. Самая современная модификация системы состоит из интегральной схемы с джозефсоновскими переходами, смонтированной на конце стержня для погружения в жидкий гелий, и небольшой монтажной стойки с электроникой. Может показаться, что разработка достигла совершенства. Но это не так - всегда можно что-нибудь улучшить. Например, в некоторых регионах есть проблемы с доступом к жидкому гелию. Так что мы уже работаем над двумя разными системами охлаждения нового типа".
________________________________________
* Явление было впервые предсказано в 1962 году физиком из Уэльса Брайаном Джозефсоном. Вскоре после этого оно получило экспериментальное подтверждение. До того открытия в качестве первичных эталонов напряжения использовались гальванические элементы. Чтобы ознакомиться с историей внедрения феномена сверхпроводимости в метрологию напряжения, посетите Онлайн-музей эталонов напряжения NIST.
