米乐m6官方网站物理测量标准研究部与日本理化学研究所突发物质科学研究中心、东京大学工学研究科和东北大学材料研究所合作开发了一种新型量子电阻标准元件，无需使用强磁场发生器即可精确测量电阻（8 位精度）。
电阻是反映电流流动困难程度的物理量。目前，为了避免不同国家和地区的电阻测量值存在差异，我们使用物理现象“量子霍尔效应''，电阻值取一个常数值，称为量化电阻值量子霍尔元件被采用作为电阻测量的标准（电阻标准）。由于量子霍尔效应是在强磁场下发生的现象，超导电磁体（示意图（右）），操作起来比较困难。为此，世界各国正在开发无需使用强磁场即可使用的电阻标准。一种新材料，获得2016年诺贝尔物理学奖的原因之一拓扑绝缘体中发现的即使在弱磁场下也表现出量子化电阻的现象量子反常霍尔效应)。通过应用这种新材料，并利用易于使用且在家庭中心价格低廉的小磁铁产生的弱磁场，我们创建了一种量子电阻标准元件，其精度相当于国家计量标准的八位数字（示意图（左））。通过消除对大型、昂贵且难以处理的强磁场发生器的需求，使最高精度的电阻标准变得更小、更简单，并有望用于包括私营公司在内的各种领域。该技术的详细信息将于 2021 年 12 月 13 日（英国时间）公布自然物理学在杂志上在线发表。
（左）使用小磁铁的新型量子电阻标准元件，（右）与以前所需的强磁场发生器的比较
我们周围的几乎所有电气产品都使用称为电阻器的电子电路元件。为了使电子电路按设计运行，每个电阻器必须具有必要的性能，并且需要精确的电气测量来确认这一点。因此，精确测量电阻值的测量技术可以说是支撑当今电子社会的基础。
目前，为了避免不同国家和地区电阻测量的差异，采用量子霍尔元件作为电阻测量标准（电阻标准），由于物理现象“量子霍尔效应”，其具有固定的电阻值，称为量子化电阻值。但是，量子霍尔效应发生在低温（低于1度（1开尔文）绝对温度）和强磁场（大约比地磁强 200,000 倍10)。特斯拉及以上）中发生的现象。使用诸如超导电磁体的强磁场发生器来产生强磁场。强磁场发生器除了体积大、价格昂贵之外，对其周围磁场的泄漏影响也很大，因此不能在电子产品、工具等磁性材料附近使用。因此，一直不容易被保证测量仪器测量值的测量设备制造商、校准公司等民间企业直接使用。如果能够打造出不使用强磁场发生器的简单电阻标准，更多的私营企业等用户将能够直接使用与国标精度相同的电阻标准，预计电气测量的精度将会提高。为此，世界各地都在进行不使用强磁场发生器的电阻标准的研究。
在这项研究中，我们重点关注拓扑绝缘体中出现的一种称为“量子反常霍尔效应”的现象。拓扑绝缘体是世界各地正在积极研究的材料，2016 年诺贝尔物理学奖因构成其基础的理论研究而被授予。与量子霍尔效应类似，量子反常霍尔效应是霍尔元件的电阻变成量子化电阻值的物理现象，但与量子霍尔效应不同的是，它发生在小磁铁量级的弱磁场（大约几百毫特斯拉，相当于在家装店里可以买到的办公磁铁），因此不需要强磁场发生器。因此，如果能够开发出利用量子反常霍尔效应的电阻标准元件，则预计将不再需要超导电磁体等强磁场发生器。然而，利用量子反常霍尔效应的传统测量存在不稳定的问题，即使施加少量电流，量子化的电阻值也会偏离预期值，并且无法将其用作测量电阻的标准。
在这项研究中，我们致力于提高拓扑绝缘体的质量，以提高量子反常霍尔效应对电流的稳定性。特别是，通过优化拓扑绝缘体制造过程中的条件，我们实现了一种稳定的元件，即使在施加实际测量电流时，也可以将量子化电阻值的相对偏差抑制到百万分之一以下。因此，我们能够开发出具有国家电阻标准所需的八位精度的原型电阻标准。
这项研究得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究促进项目 CREST“利用拓扑绝缘体异质结为量子技术奠定基础（研究代表：川崎正史）的部分支持。”
量子反常霍尔效应出现在由铋、锑、碲、铬四种元素以适当比例组合而成的拓扑绝缘体中。理想情况下，这四种元素的比例在整个拓扑绝缘体中应该是均匀的。然而，在实际生产的拓扑绝缘体中，由于浓度的变化，存在元素比例不均匀的地方，这导致电流不稳定。这次，通过优化器件制造过程中的元件比例、器件结构和温度等条件，我们能够减少不均匀性并提高电流稳定性。图1（左）是通过加工制造的拓扑绝缘体而制造的器件的光学显微照片。该器件安装在集成电路封装中并接线。首先，进行电阻测量以确认所制造的器件对电流的稳定性。图1（右）显示了在弱磁场（小磁铁产生的约200毫特斯拉）下测量所制作元件的电阻值对测量电流的依赖性的结果（该图以相对值的形式显示了与量化电阻值的偏差）。当测量电流小于2微安时，由于量子反常霍尔效应，电阻值与量子化电阻值的偏差接近于零。另一方面，超过2微安时，观察到与量化电阻值的偏差。由该结果可知，即使施加2微安左右的电流，也能够维持量子化电阻值。电流量（微安）比迄今为止报告的值大约大两个数量级。这表明测量电流的稳定性得到了显着改善。
图 1（左）使用拓扑绝缘体制造的量子电阻标准元件。 （右）电阻值与量化电阻值的偏差（相对值）对测量电流的依赖性。
为了实现不使用强磁场发生器的电阻标准，我们开发了一种结合元件和小磁铁的原型，如图 2（左）所示。与传统精密电阻测量中使用的强磁场发生器超导电磁体（图2（右））相比，磁场发生部分的体积缩小了1/250,000倍，重量减轻了1/20,000倍，显着变得更小、更轻。在传统的电阻标准中，制冷机本身很大以冷却超导电磁体，但这种小型化使得缩小包括制冷机在内的整个电阻标准装置的尺寸成为可能。从成本上来说，价格在1000万日元左右的昂贵超导电磁铁可以换成100日元以下的小磁铁，冰箱也可以换成更小、更便宜的。此外，由于小磁体的漏磁场范围小至厘米，对周围实验环境影响很小。
图 2（左）使用小磁铁的新标准量子电阻元件与（右）之前所需的强磁场发生器的比较
接下来，我们评估了所开发原型的性能。图 1 中所示的测量足以确认电流稳定性，但在这里我们进行了更精确的测量来评估最佳性能。在本次评估中，我们确定了利用小磁铁产生的量子反常霍尔效应的新型电阻标准元件和利用强磁场发生器产生的量子霍尔效应的传统电阻标准元件的电阻值。如图。图3比较了每个元件测量的电阻值与量化电阻值的相对偏差。这些测量表明，这种不使用强磁场发生器的新元件可以达到八个数量级精度的电阻标准，就像使用强磁场发生器的传统元件一样。 AIST 提供的电阻校准作为国家标准校准测量能力达到相对阻力标准标准不确定度为 28×10-9如图3所示，即使考虑不确定度，新电阻标准元件的数值也在范围之内，证实其可以作为与国标精度相同的电阻标准。
图3 新电阻标准元件和传统电阻标准元件测量的电阻值与量化电阻值的偏差（相对值）。图中箭头表示AIST电阻校准中能够实现校准测量能力的相对标准不确定度（±28×10-9）。
这次，我们能够在不使用强磁场发生器的情况下创建与国家标准具有相同精度的电阻标准。未来，我们将致力于进一步提高质量，提高便利性和可靠性。此外，我们计划通过采用新的电阻标准元件来开发更小、更轻的精密电气测量设备，以便为更多用户所使用。
已出版的杂志：自然物理学
论文标题：永磁体的量子反常霍尔效应定义了量子电阻标准
作者：Yuma Okazaki、Takehiko Oe、Minoru Kawamura、Ryutaro Yoshimi、Shuji Nakamura、Shintaro Takada、Masataka Mogi、Kei S Takahashi、Atsushi Tsukazaki、Masashi Kawasaki、Yoshinori Tokura 和 Nobu-Hisa Kaneko