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Fino al 2018 l'unità di massa SI, il chilogrammo, era definita come la massa di un oggetto reale:l'International Prototype Kilogram, custodito in una struttura sicura alla periferia di Parigi. Il 16 novembre 2018, al chilogrammo è stata data una nuova definizione, accettata a livello internazionale, basata su tre costanti distintive:la velocità della luce, la costante di Planck e la frequenza di transizione iperfine del cesio. Uno dei metodi per misurare una massa in base alla nuova definizione è un dispositivo chiamato bilancia Kibble.
Nonostante l'attuale precisione delle misurazioni di questo dispositivo, i suoi componenti possono essere migliorati per ridurre le fonti di incertezza. Attraverso una nuova ricerca pubblicata in EPJ Techniques and Instrumentation , Darine Haddad e colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) mostrano come un nuovo approccio ottimizzato al design della bilancia Kibble potrebbe migliorarne ulteriormente la precisione.
Oggi, la bilancia Kibble consente ai ricercatori di misurare le masse su macroscala, basandosi direttamente sui principi quantistici fondamentali. Per fare ciò, vengono misurati due effetti quantistici:chiamato effetto Josephson e resistenza quantistica Hall (QHR), una forma quantizzata di resistenza elettrica, che può essere misurata in materiali 2D a basse temperature, se sottoposta a forti campi magnetici. Attualmente, QHR viene realizzato in un esperimento separato esternamente al sistema di misurazione, introducendo incertezze nella misurazione complessiva della bilancia Kibble.
Per superare questo problema, i ricercatori del NIST stanno sviluppando la Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite (QEMMS). Questo dispositivo implementa il QHR direttamente nel circuito elettrico per la bilancia Kibble e nel sistema per misurare la tensione Josephson, eliminando qualsiasi incertezza di calibrazione.
Nel loro studio, il team di Haddad presenta un design ottimizzato per QEMMS, mirato a masse che vanno da 10 a 200 g. Per masse di 100 g, hanno dimostrato che le misurazioni possono essere effettuate con un'incertezza relativa di appena 2x10 -8 —offrendo notevoli miglioramenti rispetto ai precedenti modelli di bilance Kibble. Di conseguenza, QEMMS potrebbe presto consentire ai ricercatori di effettuare misurazioni indipendenti e ultra precise di masse macroscopiche, migliorando significativamente i loro dati sperimentali. + Esplora ulteriormente
