I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno trovato un modo per collegare le misurazioni effettuate da un dispositivo integrato nella fabbricazione di microchip e in altre industrie direttamente al Sistema internazionale di unità (SI, il moderno sistema metrico decimale). Questa tracciabilità può aumentare notevolmente la fiducia degli utenti nelle loro misurazioni perché il SI è ora basato interamente su costanti fondamentali della natura.

Il dispositivo, un disco delle dimensioni di un centesimo chiamato microbilancia a cristalli di quarzo (QCM), è di fondamentale importanza per le aziende che si affidano al controllo di precisione della formazione di film sottili. Molto sottili:vanno da micrometri (milionesimi di metro) a poche decine di nanometri (miliardesimi di metro, o circa 10, 000 volte più sottili di un capello umano) e sono tipicamente prodotti in una camera a vuoto esponendo una superficie target a una quantità meticolosamente regolata di vapore chimico che si attacca alla superficie e forma il film. Maggiore è l'esposizione, più spessa è la pellicola.

I film sottili sono componenti essenziali nei dispositivi elettronici a semiconduttore, rivestimenti ottici per lenti, LED, celle solari, supporti di registrazione magnetici per l'informatica, e molte altre tecnologie. Sono anche impiegati in tecnologie che misurano la concentrazione di contaminanti microbici nell'aria, patogeni nella rete idrica, e il numero di microrganismi che si attaccano alle superfici biologiche nel corso dell'infezione.

Tutti questi usi richiedono misurazioni estremamente accurate dello spessore del film. Perché è difficile da misurare direttamente, i produttori utilizzano spesso QCM, che hanno una proprietà preziosa:quando viene applicata loro una corrente alternata, vibrano ad una frequenza di risonanza unica per ogni disco e la sua massa.

Per determinare esattamente la quantità di materiale della pellicola depositata, posizionano un disco QCM nella camera a vuoto e misurano la sua frequenza di risonanza. Quindi il disco viene esposto a un vapore chimico. Più vapore aderisce al QCM, maggiore è la sua massa e più lentamente vibra. Quel cambiamento di frequenza è una misura sensibile della massa aggiunta.

"Ma nonostante l'onnipresente implementazione dei QCM nell'industria e nel mondo accademico, " ha detto il fisico del NIST e capo ricercatore Corey Stambaugh, "non esisteva un collegamento diretto con l'unità di massa del SI." Si presume che la relazione tra l'unità SI di massa (il chilogrammo) e la frequenza di risonanza sia ben caratterizzata dopo decenni di misurazioni QCM. Ma nel corso degli anni, l'industria ha chiesto al NIST l'assoluta precisione di massa di queste misurazioni di frequenza. I nuovi risultati presentati da Stambaugh e colleghi sono in larga misura una risposta a queste domande.

"Ci aspettiamo che i nostri risultati consentiranno una nuova, livello più elevato di garanzia nelle misurazioni QCM fornendo tracciabilità al nuovo SI, " ha detto il fisico del NIST Joshua Pomeroy, che con Stambaugh e altri riportano oggi le loro scoperte sulla rivista metrologia . La ridefinizione delle unità SI nel maggio 2019 ha eliminato il precedente prototipo di chilogrammo in metallo come standard e ha invece definito il chilogrammo in termini di costante quantistica.

Nel nuovo SI, la massa a livello di chilogrammo sarà realizzata negli Stati Uniti usando quella costante nel bilancio Kibble del NIST.

Nel nuovo SI, NIST Hanno anche sviluppato uno strumento standard, chiamato equilibrio di forza elettrostatica (EFB), che fornisce una misurazione estremamente accurata delle masse nell'intervallo dei milligrammi e inferiori), che sono direttamente collegati al SI tramite una costante quantistica. L'EFB ha fornito al team masse di riferimento in milligrammi con una precisione dell'ordine di una frazione di microgrammo (1/1, 000, 000esimo di 1 grammo, o circa un milionesimo della massa di una graffetta media).

Stambaugh e colleghi hanno pesato con attenzione un disco di quarzo non rivestito, poi lo sospese in una camera a vuoto e ne misurò la frequenza di risonanza. Circa 0,5 metri (20 pollici) sotto il disco c'era una fornace che riscaldava una quantità d'oro a 1480 C (2700 F). Il vapore d'oro dalla fornace si alzò e si attaccò alla superficie inferiore del QCM, aumentando la sua massa e quindi rallentando la sua frequenza di risonanza. Gli scienziati hanno ripetuto la procedura a diversi intervalli di tempo e quindi a diverse quantità di accrescimento di massa. è stato ripetuto a diversi intervalli di tempo. I ricercatori hanno depositato il vapore d'oro su diversi intervalli di tempo e hanno registrato i successivi cambiamenti nella frequenza di risonanza. Hanno pesato nuovamente il disco utilizzando le stesse masse di riferimento EFB. Ciò ha fornito una misurazione accurata della variazione di massa, e quindi forniva una misura esatta della quantità di oro depositato.

Nel corso dei lavori, il team ha anche eseguito una valutazione completa delle incertezze nelle misurazioni QCM. Hanno identificato il metodo matematico più accurato per correlare l'aggiunta di massa alla variazione della frequenza di risonanza del QCM.

"Questo lavoro fornisce un passaggio chiave in una tecnica per tracciare in modo tracciabile, e quindi correggere, i cambiamenti di massa nel tempo, ", ha detto il fisico del NIST Zeina Kubarych.

A tal proposito, le nuove scoperte potrebbero aiutare a migliorare il modo in cui la massa viene disseminata seguendo la nuova definizione SI. Il nuovo chilogrammo viene "realizzato" - convertito da una definizione astratta a una realtà fisica - attraverso misurazioni di laboratorio altamente controllate in una camera a vuoto. Ma gli standard di lavoro del chilogrammo saranno diffusi, consegnati fisicamente ai laboratori di scienze della misurazione, sotto forma di masse metalliche all'aria aperta. Ciò significa che il vapore acqueo e qualsiasi altra cosa sia nell'aria possono adsorbire sulla superficie di un chilogrammo standard di lavoro, causando una misurazione imprecisa della sua massa.

Poiché l'umidità e i contaminanti dell'aria differiscono sostanzialmente in tutto il mondo, le misurazioni di uno standard di massa accuratamente calibrato possono differire sensibilmente da un luogo all'altro ai livelli di accuratezza necessari per la metrologia industriale e scientifica. Se, però, un QCM calibrato doveva accompagnare ogni standard, potrebbe fornire una misura accurata della quantità di materiale adsorbito in transito e a destinazione, aiutando i laboratori a ricevere definizioni più accurate del nuovo chilogrammo tenendo conto delle condizioni ambientali.