近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发了首批多功能一体化校准仪器，该仪器基于最新的电压、电阻和电流标准进行研发。这种原型仪器——电气标准的“瑞士军刀”——将为紧凑型便携检测仪器的研发铺平道路，使工程师们能够在自己的实验室中直接根据国际标准校准电气设备，从而节省时间和金钱。
目前，工程师必须定期将作为校准标准的设备运送到美国国家标准与技术研究院（NIST）或其他校准实验室，以确保测量仪器直接与国际标准挂钩。这种新仪器将消除运送此类设备的必要性。
根据国际单位制（SI），这些标准基于自然界的基本常数，它们的作用从保障电网正常运行到我们生活中方方面面的各种应用都至关重要。
自1990年以来，欧姆（国际单位制中的电阻单位）一直基于量子霍尔效应（QHE）。在这种效应中，某些原子级薄材料层的电阻呈现出离散（量子化）的数值，这些数值由自然的基本常数决定。为了产生量子化的电阻值，这些材料层必须冷却到绝对零度以上4度（4开尔文或-269摄氏度），并且要置于与材料中电流流向垂直的强磁场中。
多年来，美国国家标准与技术研究院（NIST）的计量学家一直在努力将电流、电压和电阻的量子电气标准集成到一台仪器中，这一成果将大大降低这些标准向工业界、政府和学术界普及的难度。然而，这始终是摆在研究人员面前的难题，因为量子霍尔效应（QHE）电阻标准所需的强磁场（是典型医用核磁共振（MRI）机器所用磁场强度的六到九倍）会导致用于电压标准的超导器件失效。因此，研究人员不得不使用单独的低温恒温器——甚至需要在不同的实验室中分别测量电压、电流和电阻。
然而，在2013年，科学家们发现了一种新的量子电阻类型，即量子反常霍尔效应 （QAHE），它同样基于自然界中的基本常数。与QHE一样，QAHE存在于原子薄的材料片中，但片材必须冷却到更低的温度，比绝对零度（0.01 K）高出约百分之一度。值得注意的是，QAHE的诱导磁场仅为QHE所需磁场的五分之一到四十分之一。此外，仅需要磁场来磁化样品;然后可以将其关闭。
由于不再需要磁场，研究人员能够将产生精密电压的量子设备插入容纳量子反常霍尔效应（QAHE）电阻标准的同一低温恒温器中。
这种精密电压标准被称为可编程约瑟夫森电压标准，它由一个集成电路芯片组成，芯片中含有微型超导体对，这些超导体对被一层薄薄的金属屏障（称为约瑟夫森结）隔开。在这些约瑟夫森结内部，电子会成对出现，并可能在屏障之间来回隧穿。当施加微波信号时，隧穿效应会产生一个非常精确的电压，这个电压仅取决于信号的频率和自然界中的基本常数。
为了容纳这些仪器，研究人员建造了一个占地面积约4平方米的低温恒温器，与量子计算实验室中常用的设备相当。
“这一早期原型证明了集成多功能的一体化设备是可行的，”美国国家标准与技术研究院（NIST）研究员 Jason Underwood 说。
虽然这一成就是量子标准开发的一个重要里程碑，但原型的广泛分发还需要数年时间。这主要是因为现在已知的大多数材料只能在极低的温度下才会表现出量子反常霍尔效应（QAHE），这就需要一个庞大的制冷系统。包括 NIST的研究人员在内的科学家们正在寻找能够在更高温度下可靠的表现出QAHE的材料。这样的材料将使电气标准能够在更便于携带的低温恒温器中实现，这种低温恒温器将更容易被工业实验室使用。
“随着量子反常霍尔效应（QAHE）材料性能的进步，我们可以大幅缩小低温恒温器的尺寸，特别是如果我们能够在高于0.1开尔文（比绝对零度高十分之一度）的温度下实现稳定的QAHE，”Underwood补充道。“在这些较高温度下的低温硬件会更加紧凑和便于运输。就像美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准参考仪器一样，未来的统一仪器可以安装在标准19英寸设备机架内，但目前仅能允许在一个单位空间内校准多个国际单位制（SI）单元。
这种新仪器在电压、电阻和电流方面的相对精度为百万分之几，可与全球国家级计量机构的最佳校准和测量能力相媲美。但研究人员表示，精度较低的仪器型号也足以满足制定必要电气标准的需求。
“虽然我们始终在努力减少不确定性，但实际应用场景中的校准仪器不一定必须达到像国家级计量机构那样小的不确定性，” Underwood说。“不确定性只要足够低以满足客户的校准目标即可。”
美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员与斯坦福大学、马里兰大学帕克分校和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家合作开发了这种新仪器。科学家们已于8月12日在《Nature Electronics》在线发表了他们的研究成果。（DOI：10.1038/s41928-025-01421-2）
