国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）工程测量标准研究部[研究部主任 Toshiyuki Takatsuji] Kenichi Fujii，部门质量标准研究组首席研究员 Naoki Kuramoto，首席研究员，Shigeki Mizushima，首席研究员，材料测量标准研究部[研究部主任高津明子]表面/纳米分析研究组首席研究员张儒鲁及其同事通过超精密形状测量发现硅单晶球基本物理常数是其中之一普朗克常数具有世界最高的精度水平，为修订公斤的定义做出了重大贡献。
目前，一公斤被定义为世界上唯一重量的质量，即“国际公斤原型”。然而，很明显，由于表面污染等因素，国际公斤原型的质量长期波动。因此，为了将定义修改为基于通用基本物理常数，各国开展了研究，以确定比国际千克原器中的质量长期稳定性更精确的基本物理常数。因此，2018 年将就是否采用基于普朗克常数的新千克定义展开辩论。
这次AIST开发了超高精度激光干涉仪此外，科学技术数据委员会 (CODATA)根据日本产业技术研究院和多个海外研究机构对普朗克常数的高精度测量结果，确定了千克新定义中使用的普朗克常数的值。我们的国家国际单位制 (SI)的基本单位定义，可以说是一项历史性成就，将有助于约130年来千克定义的首次修订。
有关使用CODATA确定普朗克常数的详细信息，请参阅2017年10月21日（当地时间）的英国物理学会杂志计量学到已接受的手稿
 |
AIST 开发的高精度测量硅单晶球形状的激光干涉仪（左）
球形三维图，显示测量直径与平均直径的偏差（右） |
计量不仅是科学的基础，还通过商业交易和法律法规对社会生活产生重大影响，因此高度可靠的通用单位系统至关重要。 SI是目前使用最广泛的单位制，从日常生活到尖端科学的一切都无法从SI中受益。
质量单位“千克”和长度单位“米”是组成SI的重要基本单位，首次发布于1889年国际度量衡会议 (CGPM)分别定义为由铂铱制成的“国际原型千克”的质量和“国际原型米”的长度。从那时起，单位定义不断发展，同时融入尖端科学技术，以实现高度可靠的测量。 1983年，为了应对激光技术的进步，米的定义根据一个通用的基本物理常数进行了修订：真空中的光速。这使得设定长度标准成为可能，其精度比国际原型米高约 1000 倍。
另一方面，千克的定义即使在大约130年后也没有改变。国际公斤原型是国际计量局 (BIPM)它在10745_10839|的严格条件下储存，但由于表面污染和其他因素，其在大约100年的时间里的质量稳定性估计约为50微克。这是 1 公斤的百万分之 5/100 (5×10－8），但这是最新质量测量技术无法忽视的波动。
因此，大约 200 个通用基本物理常数之一是 5×10－8国家计量研究院 (NMI)一直在努力。因此，2011年第24届CGPM决定今后废除国际原型千克，并对千克的定义作出如下修改。
一公斤的大小正好是普朗克常数6626 07XX × 10-34J s 已设置。 ”
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公斤可以用普朗克常数来表示。此外，XX是根据定义修订时的可靠测量值确定的。
2014年第25届CGPM会议决定，各国国家计量机构将进行准备工作，以便在2018年第26届CGPM会议上讨论千克定义的修订。作为回应，政府被要求在2017年7月1日之前公布测量结果，以确定普朗克常数的值，这将作为千克的新标准。
普朗克常数可以通过两种方式测量。一是粗磨平衡法另一个是X射线晶体密度法大约 40 年前，AIST 开始使用 X 射线晶体密度法精确测量普朗克常数。在该方法中，单晶硅的密度，摩尔质量、晶格常数并计算硅单晶中包含的原子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关系式，并且可以根据阿伏加德罗常数的测量值以几乎相同的精度计算出普朗克常数。自然界中存在三种类型的稳定硅同位素（28硅，29硅，30Si) 存在，因此需要测量同位素丰度比以确定摩尔质量。这成为瓶颈，普朗克常数的测量精度为3×10-7已经是极限了。因此，国际研究合作``阿伏加德罗国际项目28Si仅集中到9999%28生产出Si单晶。 2011年，这个28采用Si单晶，当时普朗克常数世界最高精度为3×10－8(3/100 百万) 测量 (AIST 主要研究成果，2012 年 2 月 27 日）。尽管这一测量精度超过了国际千克原器的长期稳定性，但与美国国家标准与技术研究院 (NIST) 使用基布尔天平法确定的普朗克常数不相符。为此，2011年第24届CGPM仅决定今后转向基于普朗克常数的新定义，并未对定义进行修改。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“使用基本物理常数定义质量单位“千克”的研究和开发”（项目编号：16H03901）的支持。
这次为了测量普朗克常数，它是作为阿伏加德罗国际项目的一部分创建的28使用由硅单晶抛光的球体。球体的质量和直径分别约为1千克和约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2000个方向测量球体的直径，2×10－8直径测量精度为06 nm，大致相当于原子间距离（晶格常数）。借助产业技术研究院开发的激光波长精密控制技术和球体温度精密测量技术（精度6/10000℃），实现了世界最高精度的直径测量。可以超高精度比较硅球的质量真空天平是国家质量计量标准日本公斤原型相比测量
硅球的表面覆盖有由氧化膜等构成的数nm厚的表面层。为了通过计算硅原子来确定普朗克常数，需要确定仅由硅原子构成的部分（硅芯）的质量和体积。因此，这次我们将推出一个新的X射线光电子能谱和光谱椭偏仪球面分析系统（图1）。两种设备都具有硅球旋转机构，可以对球体的整个表面进行分析。利用该系统，我们确定了球体表层的成分，并测量了球体表层的厚度，精度为01 nm。利用该表面层分析的结果对硅球的质量和体积的测量值进行校正，并确定硅核的质量和体积。
 |
|
图1 AIST开发的X射线光电子能谱系统（左）和光谱椭偏仪（右） 测定硅球表面层的成分，并以世界最高精度01纳米测量表面层的厚度。两种设备都配备了球体旋转机构，可以分析球体的整个表面。 |
这次测量的硅核的质量和体积与过去阿伏加德罗国际项目测量的晶格常数和摩尔质量相结合，24×10－8（24/1 亿）。换算成 1 kg 时，精度为 24 µg，超过了国际原型千克 50 µg 的质量稳定性。
图2显示了截至2017年7月1日由世界各地的NMI确定的普朗克常数的值。NMIJ（日本）-2017是由AIST确定的值。该值与阿伏加德罗国际项目先前测量的值（IAC-2011、IAC-2015、IAC-2017）非常吻合。它还与 NIST、加拿大国家研究院 (NRC) 和法国国家计量研究所 (LNE) 使用基布尔平衡法测得的值非常吻合（NIST (US)-2015、NIST (US)-2017、NRC (加拿大)-2017、LNE (法国)-2017）。
CODATA 使用这八个高精度测量来计算普朗克常数的调整值 (CODATA-2017, 6626 070 150(69) ×10－34J s) 被确定（括号中的数字代表最后一位数字的标准不确定度）。 CODATA-2017 精度为 10×10－8（亿分之一）。换算成1公斤时，该精度为10微克，远远超过国际原型公斤中50微克的质量稳定性。在 2018 年 11 月举行的第 26 届 CGPM 上，将讨论向基于 CODATA-2017 不确定性定义值的千克新定义的过渡。
 |
|
图2 由CODATA (CODATA-2017)确定的普朗克常数调整值以及有助于确定的八个测量结果 在 2018 年 11 月举行的第 26 届 CGPM 上，将讨论向基于调整值不确定性为零的定义值过渡到新的千克定义。 |
在用于确定CODATA-2017的8个数据中，AIST贡献了4个值的测量，其中1个是AIST新测量的。大多数支持科学技术基础的单位制主要是在西方开发的，但这在漫长的度量衡历史中，第一次由西方以外的国家在修订通用单位制中发挥决定性作用，AIST的测量结果预计将为大约130年来第一次修订公斤定义做出重大贡献。
如果2018年11月召开的第26届国际计量大会决定改用基于普朗克常数的新定义，预计新定义将于2019年5月20日世界计量日前后生效。
鉴于定义将被修订的前景，AIST已开始开发基于普朗克常数的高精度测量亚毫克和微克范围内的微小质量的技术，这在新药开发（药物发现）和细颗粒的环境测量等领域中非常需要。目前，高精度质量测量需要以国际公斤为标准确定质量的砝码，但对于微小质量，由于质量长期稳定性等问题，难以投入实际使用。因此，我们的目标是开发基于将微小质量与普朗克常数联系起来的新原理的测量技术。