Forskningsinstitutet Rise har i samarbete med forskare från Chalmers tagit fram världsunika resistansstandarder baserade på nanomaterialet grafén. Resultaten, som nyligen presenterades i Nature Communications, banar väg för noggrannare mätningar av resistans i industri och samhälle och fortsatt utveckling av det internationella måttenhetssystemet SI.
Genom kedjor av jämförelser, så kallade kalibreringar, säkerställs att en meter är en meter och ett kilogram ett kilogram i hela världen. På samma sätt fungerar det med elektrisk resistans. En resistor som används i industrin jämförs med en ännu noggrannare resistor, som jämförs med en ännu noggrannare resistansstandard hos ett ackrediterad laboratorium och så vidare hela vägen upp till riksmätplatsen hos Rise. Hos forskningsinstitutet finns nämligen så kallade realiseringar, där man utifrån en enhets definition skapar en praktisk mätnormal, för att kunna göra jämförelser med allra lägsta mätosäkerhet.
– Att minska mätosäkerheten högst upp i denna kedja är viktigt, eftersom varje kalibreringssteg neråt ökar mätosäkerheten, och därmed ökar osäkerheterna i de mätningar som sker ute i industri och samhälle, säger Hans He, forskare på Rise och expert inom området grafén och nanovetenskap.
Alla basenheter i det internationella måttenhetssystemet SI är sedan 2019 kopplade till fysikaliska naturkonstanter via bland annat kvantmekaniska fenomen. För att realisera enheten för resistans, ohm (Ω), används sedan länge den kvantiserade Halleffekten. Detta fenomen i kombination med nanomaterialet grafén ger en väldigt exakt realisering av resistans.
– Problemet med dagens realisering är att den praktiskt bara kan ske vid en resistansnivå runt 12,9 kΩ. För att ta fram en mätnormal på 100 Ω krävs extra kalibreringssteg, vilket ökar mätosäkerheten, säger Hans He.
Forskningen som presenteras i Nature Communications visar att det är praktiskt möjligt att ta fram realiseringar på i princip vilken resistansnivå som helst, genom att koppla ihop hundratals komponenter tillverkade i grafén till så kallade grafén-arrayer.
– Genom att koppla ihop många komponenter kan vi uppnå en exakt den resistansnivå vi vill. Förutom att vi minskar antalet kalibreringssteg är en annan stor fördel att grafén-arrayerna klarar högre strömmar vilket gör dem mer flexibla och användbara, säger Hans He.
De nya grafén-arrayerna har potential att förbättra realiseringarna av tre viktiga enheter inom det internationella måttenhetssystemet SI: ohm, ampere och kilogram. Den stora utmaningen ligger i tillverkningen av grafén-arrayerna. Även om principen med grafén-arrayer varit känd länge har komplexiteten gjort det svårt att skapa arrayer med tillräcklig noggrannhet.
– Det kräver ett högkvalitativt grafénmaterial och perfekt kontroll över tillverkningsprocesserna. De teknologiska framsteg vi nu gjort gör det möjligt att skapa dessa noggranna arrayer som är lämpade för fortsatt utveckling av SI-enheterna, säger Hans He.
Rise är Nationellt Metrologiskt Institut (NMI) med uppdrag att upprätthålla metrologisk spårbarhet i Sverige genom så kallade riksmätplatser för de olika fysikaliska storheterna i det internationella systemet för måttenheter, SI.
