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千克被精确定义为国际千克原器 (IPK) 的质量，这是全世界独一无二的重量。然而，人们发现 IPK 的质量会长期波动，部分原因是其表面污染。因此，世界各地开展了研究，以确定比 IPK 质量的长期稳定性更精确的基本物理常数，以基于通用基本物理常数修改千克的定义。因此，2018 年将会争论是否改变基于普朗克常数的千克定义。

AIST 研究人员最近使用超高精度激光干涉仪和表面分析系统，以亚纳米精度测量了直径约 94 毫米的单晶硅球的形状，以世界最高精度测量了普朗克常数。国际科学理事会数据委员会（CODATA）根据AIST和日本以外的多个研究机构的高精度普朗克常数测量结果，确定了用于千克新定义的普朗克常数值。这是日本首次直接参与国际单位制（SI）基本单位的定义。这是一个历史性成果，因为它促成了大约 130 年来对千克定义的首次修订。

关于 CODATA 设置普朗克常数的详细信息已作为已接受的手稿发表在计量，英国物理研究所期刊，当地时间2017年10月21日。

AIST 开发的激光干涉仪，可高精度测量单晶硅球的形状（左）以及球体形状的三维图像，显示与平均直径的偏差（右）

测量不仅是科学的基础，而且还以产品贸易和法律法规的形式对社区生活产生重大影响，因此高度可靠的全球单位系统必不可少。 SI 是当今使用最广泛的单位制。它有益于现代社会的各个方面，从日常生活到前沿科学。

千克（质量单位）和米（长度单位）是SI的重要基本单位。第一届计量大会（CGPM）将千克定义为铂铱IPK的质量，将米定义为“国际米样机”的长度。从那时起，单位的定义不断发展，融入了最新的科学技术，以提高测量的可靠性。随着激光技术的进步，米的定义于 1983 年进行了修订。该定义基于一个通用的基本物理常数：真空中的光速。这使得设定长度标准的精度比国际米样机高 1000 倍成为可能。

另一方面，千克的定义在大约 130 年来没有改变。尽管 IPK 受到国际计量局 (BIPM) 的严格控制，但其质量稳定性估计在大约一个世纪内约为 50 µg，部分原因是表面污染。这个波动范围仅为十亿分之五十 (5 × 10⁻⁸) 为 1 千克，但在最新的测量技术中，这么大的波动是不可忽略的。

因此，各国国家计量研究所 (NMI) 开始尝试测量大约 200 个通用基本物理常数之一，其精度足以克服 5 × 10⁻⁸波动并使用该值作为定义千克的基础。因此，2011年第24届CGPM决定今后废除IPK，并将千克重新定义如下：

“千克的大小将通过将普朗克常数的数值固定为正好等于 6626 07X XX × 10⁻³⁴J s。”

普朗克常数是量子理论中最重要的基本物理常数之一，与电子的质量有关。因此，当前的 1 kg 可以用普朗克常数来表示。此外，X XX 将根据修订定义时进行的测量来确定。

2014 年第 25 届 CGPM 决定，各国 NMI 将做好准备，以便在 2018 年第 26 届 CGPM 上讨论千克的重新定义。作为回应，NMI 被要求在 2017 年 7 月 1 日之前公布他们将采取的测量结果，以帮助确定作为新千克基础的普朗克常数值。

有两种测量普朗克常数的方法。一种称为基布尔平衡法，另一种称为 X 射线晶体密度 (XRCD) 法。大约 40 年前，AIST 开始使用 XRCD 方法精确测量普朗克常数。该方法测量硅单晶的密度、摩尔质量和晶格常数，并对硅单晶中的原子数进行计数以测量阿伏加德罗常数。普朗克常数和阿伏加德罗常数之间存在严格的数值关系，因此普朗克常数可以通过测量阿伏加德罗常数以大约相同的精度水平来计算。在自然界中，硅具有三种稳定同位素（²⁸硅，²⁹Si，并且³⁰Si)，因此摩尔质量的测定需要同位素比测量。这是一个瓶颈，将阿伏加德罗常数测量的精度限制在 3 × 10⁻⁷。因此，AIST 启动了国际阿伏加德罗协调 (IAC) 项目，该项目产生了²⁸硅单晶富集至9999%²⁸硅纯度。 2011年IAC就用过这个²⁸用于测量 3 × 10 的普朗克常数的硅单晶⁻⁸（十亿分之三十）精度，这是当时世界上最高的精度水平（AIST 研究结果，2012 年 2 月 27 日）。这一精度水平超过了IPK的长期稳定性，但其推导的普朗克常数不符合美国国家标准与技术研究所（NIST）使用基布尔平衡法的标准。因此，2011年第24届CGPM仅决定采取在未来某个时间过渡到基于普朗克常数的新千克定义的政策，而定义本身此时并未进行修订。

普朗克常数的测量使用了抛光的球体²⁸IAC项目生产的硅单晶。球体的质量和直径分别约为 1 千克和 94 毫米；精确测量质量和体积以确定密度。使用日本产业技术研究院开发的激光干涉仪来测量体积。从大约 2,000 个方向测量球体的直径，从而能够以 2 × 10 的精度确定球体的体积⁻⁸。直径的测量精度为06 nm，大约相当于硅的原子距离（晶格常数）。这项世界上最精确的直径测量是通过日本产业技术研究院开发的激光波长精密控制技术和精密球体温度测量技术（精度为6/10 000 °C）的结合实现的。使用能够超高精度比较质量的真空天平，通过将硅球的质量与日本质量标准日本国家公斤原型（NPK）进行比较来测量。

硅球的表面覆盖着几纳米厚的层，由氧化物等物质组成。为了计算硅原子并确定普朗克常数，需要确定仅由硅原子组成的部分（硅核）的质量和体积。为此，开发了一种使用X射线光电子能谱和椭圆偏振光谱仪的新型球面分析系统（图1）。这两种设备都具有旋转硅球的机构，因此两者都可以分析球体的整个表面。该系统测定了球体表面层的成分，并以01 nm的精度测量了表面层的厚度。该表面层分析的结果用于校正硅球质量和体积的测量值，并确定硅芯的质量和体积。

图。 1 X射线光电子能谱系统（左）和光谱椭偏仪（右），均由AIST开发

这些设备一起可以确定球体表面层的成分，并以世界上最高精度 01 纳米测量表面层的厚度。两种设备都有旋转球体的机制，因此都可以分析球体的整个表面。

以这种方式测量的硅核的质量和体积与IAC项目之前测量的晶格常数和摩尔质量相结合，确定了世界最高精度的普朗克常数，24 × 10⁻⁸（十亿分之二十四）。该精度相当于 1 kg 水平的 24 µg，超过了 IPK 的质量稳定性（50 µg）。

图 2 显示截至 2017 年 7 月 1 日各国 NMI 报告的普朗克常数值。NMIJ (JP)-2017 后显示的值是 AIST 确定的值。它与 IAC 项目（IAC-2011、IAC-2015 和 IAC-2017）测量的值非常匹配。它也与美国 NIST、加拿大国家研究委员会 (NRC) 和法国国家计量与论文实验室 (LNE) 通过基布尔平衡法测量的值非常匹配（NIST (US)-2015、NIST (US)-2017、NRC (CA)-2017 和 LNE (FR)-2017）。

CODATA 确定了普朗克常数的调整值 (CODATA-2017; 6626 070 150(69) × 10⁻³⁴J s) 基于这八次高精度测量（括号中的数值表示最后一位数字的标准不确定度）。 CODATA-2017 的相对标准不确定度为 10 × 10⁻⁸（十亿分之一）。该精度相当于每公斤 10 µg，远远超过 IPK 的 50 µg 质量稳定性。在 2018 年 11 月举行的第 26 届 CGPM 上，将讨论向基于 CODATA-2017 定义且不确定性为零的新千克定义的过渡。

图。 2 由 CODATA (CODATA-2017) 确定的普朗克常数的调整值以及用于确定该值的八个测量结果

在 2018 年 11 月举行的第 26 届 CGPM 上，将讨论向基于该值且不确定性为零的新千克定义的过渡。

在用于设置 CODATA-2017 的 8 个数据点中，AIST 贡献了 4 个数据点的测量，其中 1 个数据点是由 AIST 测量的，如上所述。主要是北美和欧洲开发了大部分科学技术单位制，但现在，在漫长的计量史上，第一次有一个来自这些地区之外的国家在修订国际单位制方面发挥了决定性作用。测量结果预计将为约130年来首次重新定义千克做出巨大贡献。

如果2018年11月第26届CGPM决定修改基于普朗克常数的定义，计划将于2019年世界计量日（5月20日）实施新定义。

鉴于定义将被修订的预期，AIST已开始研究和开发亚毫克和微克范围内的极小质量的高精度测量，这在新药物开发（药物发现）和基于普朗克常数的微粒环境测量等领域有强烈需求。目前，高精度质量测量需要根据IPK分配质量的砝码，但由于长期质量稳定性等问题，对于非常小的质量，砝码并不实用。因此，AIST 的目标是基于普朗克常数开发用于极小质量的新测量技术。