izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-1-9-13izmertech-1687Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИFUNDAMENTAL PROBLEMS OF METROLOGYКвантовый эффект Холла и постоянная КлитцингаQuantum Hall ef ect and von Klitzing constantСеменчинскийС. Г.SemenchinskiyS. G.

Сергей Георгиевич Семенчинский

Москва

Sergey G. Semenchinskiy

Moscow

semench-vm@vniims.ruВсероссийский научно-исследовательский институт метрологической службыРоссияRussian Research Institute for Metrological ServiceRussian Federation20210206202301913Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1687

Рассмотрена актуальная проблема в области электрических измерений в связи с принятыми 26-й Генеральной конференцией по мерам и весам в ноябре 2018 г. (Франция, Версаль) новыми определениями единиц физических величин системы СИ, а именно воспроизведение ома на основе квантового эффекта Холла. Объяснены причины введения в 1988 г. независимой от международной системы единиц константы Клитцинга и её отмены в 2018 г. Изложены физические основы эффекта. Проанализированы основные косвенные и прямые эксперименты, приведшие к созданию эталона ома на основе квантового эффекта Холла, в том числе проведённые во ВНИИМС в 1982–1986 гг. На примере этих экспериментов показана идентичность значений квантованного сопротивления для образцов, изготовленных на основе инверсионных слоёв в кремнии, арсениде галлия и в образцах принципиально нового вещества графена. Приведены результаты по использованию графена для создания эталонов на основе квантового эффекта Холла для различных отраслей промышленности и науки на базе новейших достижений в его изготовлении.

The current problem in the field of electrical measurements is considered in connection with the new defi nitions of SIunits of physical quantities adopted by the 26th General Conference on Weights and Measures in November 2018 (France, Versailles), namely, the reproduction of anohm based on the quantum Hall effect. The reasons for the introduction in 1988 of the Klitzing constant independent of the international system of units and its cancellation in 2018 are explained. The physical foundations of the quantum Hall effect are outlined. The main indirect and direct experiments that led to the creation of an ohm standard based on the quantum Hall effect, including those carried out at VNIIMS in 1982–1986, are analyzed. Using the example of these experiments, the identity of the values of the quantized resistance for samples prepared on the basis of inversion layers in silicon, gallium arsenide and in samples of a fundamentally new substance graphene is shown. Results on the use of graphene to create standards based on the quantum Hall   effect for various industries and science based on the latest advances in its production are presented.

квантовый эффект Холлазаряд электронапостоянная Планкапостоянная КлитцингаграфенQuantum Hall effectelectron chargePlanck's constantKlitzing's constantgrapheneReferences16 November 2018: Historic day for metrology. URL: https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2018/Presentation-CGPM26-Klitzing.pdf(дата обращения:02.12.2020).16 November 2018: Historic day for metrology. URL: https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2018/Presenta tion-CGPM26-Klitzing.pdf (дата обращения: 02.12.2020).Quinn T. J., Metrologia, 1989, vol. 26(1), pp. 69–74. https://doi.org/10.1088/0026-1394/26/1/006Quinn T. J., Metrologia, 1989, vol. 26(1), pp. 69–74. https://doi.org/10.1088/0026-1394/26/1/006K. v. Klitzing, Dorda G., and Pepper M., Physical Review Letters, 1980, vol. 45, no. 6, pp. 494–497. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.45.494K. v. Klitzing, Dorda G., and Pepper M., Physical Review Letters, 1980, vol. 45, no. 6, pp. 494–497. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.45.494Семенчинский C. Г. Об электрических единицах СИ // Законодательная и прикладная метрология. 2019. № 2 (159). C. 7–9.Semenchinskiy S. G., Ob elektricheskikh edinitsakh SI, Zakonodatel’naya i prikladnaya metrologiya, 2019, no. 2(159), pp. 7–9 (in Russian).Семенчинский С. Г., Эдельман В. С. Полевой транзистор и постоянная тонкой структуры // Природа. 1982. № 9. C. 38–41.Semenchinskiy S. G., Elelman V. S., Polevoi tranzistor i postoyannaya tonkoi struktury, Priroda, 1982, no. 9, pp. 38–41 (in Russian).Пудалов В. М., Семенчинский С. Г. Нелинейные явления в квантовом эффекте Холла // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. С. 1431–1445.Pudalov V. M., Semenchinskii S. G., Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1984, vol. 59 (4), pp. 838–846.Pudalov V. M., Semenchinsky S. G., Edelman V. S., Solid State Communications, 1984, vol. 51, no. 9, pp. 713–717. https://doi.org/10.1016/0038-1098(84)90953-0Pudalov V. M., Semenchinsky S. G., Edelman V. S., Solid State Communications, 1984, vol. 51, no. 9, pp. 713–717. https://doi.org/10.1016/0038-1098(84)90953-0Семенчинский С. Г. Влияние тока в канале МДПструктуры на ее заряд в условиях квантового эффекта Холла // ЖЭТФ. 1986. Т. 91. С. 1804–1814.Semenchinskii S. G., Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1986, vol. 91, pp. 1068–1074.Eisenstein J. P., Stormer H. L., Narayanamurti V., Cho A. Y., Gossard A. C., Tu C. W., Physical Review Letters, 1985, vol. 55, no. 8, pp. 875–878. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.875Eisenstein J. P., Stormer H. L., Narayanamurti V., Cho A. Y., Gossard A. C., Tu C. W., Physical Review Letters, 1985, vol. 55, no. 8, pp. 875–878. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.875Hartland A., Jones K., Williams J. M., Gallagher B. L., Galloway T., Physical Review Letters, 1991, vol. 66, pp. 969–973. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.969Hartland A., Jones K., Williams J. M., Gallagher B. L., Galloway T., Physical Review Letters, 1991, vol. 66, pp. 969–973. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.969Jeckelmann B., Jeanneret B., Physical Review B, 1997, vol. 55, iss. 19, pp. 13124–13134. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.13124Jeckelmann B., Jeanneret B., Physical Review B, 1997, vol. 55, iss. 19, pp. 13124–13134. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.13124Jeckelmann B., Inglis A. D., and Jeanneret B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, April 1995, vol. 44, no. 2, pp. 269–272. https://doi.org/10.1109/19.377828Jeckelmann B., Inglis A. D., and Jeanneret B., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, April 1995, vol. 44, no. 2, pp. 269–272. https://doi.org/10.1109/19.377828Novoselov K. S., Geim A. K., Dubonos S. V., Hill E. W., Grigorieva I. V., Nature, 2003, vol. 426, pp. 812–816. https://doi. org/10.1038/nature02180Novoselov K. S., Geim A. K., Dubonos S. V., Hill E. W., Grigorieva I. V., Nature, 2003, vol. 426, pp. 812–816. https://doi.org/10.1038/nature02180Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A., Science, 2004, vol. 306, pp. 666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A., Science, 2004, vol. 306, pp. 666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896Novoselov K. S., Jiang Z., Zhang Y., Morozov S. V., Stormer H. L., Zeitler U., Maan J. C., Boebinger G. S., Kim P., Geim A. K., Science, 2007, vol. 315, iss. 5817, p. 1379. https://doi.org/10.1126/science.1137201Novoselov K. S., Jiang Z., Zhang Y., Morozov S. V., Stormer H. L., Zeitler U., Maan J. C., Boebinger G. S., Kim P., Geim A. K., Science, 2007, vol. 315, iss. 5817, p. 1379. https://doi.org/10.1126/science.1137201Giesbers A. J. M., Rietveld G., Houtzager E., Zeitler U., Yang R., Novoselov K. S., Geim A. K., Maan J. C., Applied Physics Letters, 2008, vol. 93, no. 22. https://doi.org/10.1063/1.3043426Giesbers A. J. M., Rietveld G., Houtzager E., Zeitler U., Yang R., Novoselov K. S., Geim A. K., Maan J. C., Applied Physics Letters, 2008, vol. 93, no. 22. https://doi.org/10.1063/1.3043426Tzalenchuk A., Lara-Avila S., Kalaboukhov A., Paolillo S., Syvajarvi M., Yakimova R., Kazakova O., Janssen T. J. B. M., Fal’ko V., and Kubatkin S., Nature Nanotechnology, 2010, vol. 5, pp. 186–189. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.474Tzalenchuk A., Lara-Avila S., Kalaboukhov A., Paolillo S., Syvajarvi M., Yakimova R., Kazakova O., Janssen T. J. B. M., Fal’ko V., and Kubatkin S., Nature Nanotechnology, 2010, vol. 5, pp. 186–189. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.474Janssen T. J. B. M., Fletcher N. E., Goebel R., Williams J. M., Tzalenchuk A., Yakimova R., Lara-Avila S., Kubatkin S., Fal’ko V. I., New Journal of Physics, 2011, vol. 13, 093026-6. https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/9/093026Janssen T. J. B. M., Fletcher N. E., Goebel R., Williams J. M., Tzalenchuk A., Yakimova R., Lara-Avila S., Kubatkin S., Fal’ko V. I., New Journal of Physics, 2011, vol. 13, 093026-6. https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/9/093026Ribeiro-Palau R., Lafont F., Brun-Picard J., Kazazis D., Michon A., Cheynis F., Couturaud O., Consejo C., Jouault B., Poirier W., Schopfer F., Nature Nanotechnology, 2015, vol. 10, pp. 965–971. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.192Ribeiro-Palau R., Lafont F., Brun-Picard J., Kazazis D., Michon A., Cheynis F., Couturaud O., Consejo C., Jouault B., Poirier W., Schopfer F., Nature Nanotechnology, 2015, vol. 10, pp. 965–971. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.192NIST. Fundamental Physical Constants. Von Klitzing constant. URL: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rk (дата обращения: 02.12.2020).NIST. Fundamental Physical Constants. Von Klitzing constant, available at: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rk (accessed: 02.12.2020)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.