Narodowe Centrum Nauki (NCN) przyznało zespołowi badawczemu, kierowanemu przez prof. dr hab. inż. Mariana Kampika środki na realizację w latach 2021 - 2023 projektu badawczego pt. „System zapewnienia spójności pomiarowej składowych impedancji w odniesieniu do wzorca opartego o kwantowy efekt Halla”. Projekt jest finansowany z budżetu programu OPUS-19.
Realizowany projekt dotyczy wzorców impedancji elektrycznej i ma ścisły związek z tzw. „nowym” układem SI, którego podstawą są stałe fizyczne, m.in. stała von Klitzinga i stała Josephsona. Chociaż możliwa jest obecnie realizacja jednostki rezystancji przez bezpośrednie odniesienie do stałych fizycznych, to jednak nie są znane zjawiska kwantowe, pozwalające na bezpośrednią realizację jednostki pojemności i indukcyjności. Jedyną opcją jest porównanie pojemności lub indukcyjności z oporem wyznaczonym przy pomocy wzorca kwantowego rezystancji, wykorzystującego kwantowy efekt Halla. W tym celu niezbędne jest zastosowanie odpowiednio dokładnych układów, nazywanych komparatorami impedancji. Zasada działania tych układów opiera się na bezpośrednim porównaniu obiektu badanego (ang. Device Under Test, DUT) z wzorcem odniesienia (ang. Reference, REF) o wystarczająco wysokiej dokładności i stabilności. Wyróżnia się różnicowe i ilorazowe układy komparacji. Obecnie, w pomiarach impedancji dominują pomiary ilorazowe, głównie ze względu na dynamiczny rozwój kwantowych i cyfrowych źródeł napięcia przemiennego. W takich pomiarach parametry DUT są obliczane na podstawie pomiaru stosunku nieznanej impedancji do impedancji odniesienia o dobrze znanych parametrach. Najdokładniejsze porównania impedancji wymagają użycia tzw. współosiowego obwodu czteroprzewodowego (ang. Four-Terminal-Pair, 4TP). Nierozwiązanym problemem w układach komparacji 4TP pozostaje kwestia zmniejszenia niepewności pomiarów impedancji do poziomu 10-6 bez konieczności stosowania bardzo kosztownego kwantowego wielokanałowego wzorca napięcia przemiennego, wykorzystującego efekt Josephsona. Kolejnym problemem naukowym jest opracowanie skutecznych metod testowania tak dokładnego systemu pomiarowego, co pozwoli na oszacowanie niepewności systemu i wykrycie źródeł błędów już na etapie budowy prototypu. Oba wyżej wymienione problemy zostaną rozwiązane w ramach projektu. System zostanie kompleksowo przebadany za pomocą tradycyjnej metody z kalibrowanymi wzorcami i za pomocą tzw. metody trójkątów, która jest innowacyjna w obszarze komparacji ilorazowych i w której rozwój zespół badawczy wniósł duży wkład. W oparciu o uzyskane wyniki badań zostanie opracowany budżet niepewności i wyciągnięte zostaną wnioski odnośnie finalnej dokładności systemu.
Odkrywca zjawiska kwantowego efektu Halla, laureat Nagrody Nobla prof. Klaus von Klitzing (w środku), rektor Politechniki Poznańskiej prof. Tomasz Łodygowski (z prawej) oraz kierownik projektu, prof. Marian Kampik.
Efektem projektu będzie system do porównań impedancji, który będzie dokładniejszy niż obecnie dostępne układy. System umożliwi m.in. przeniesienie miary z jednostki rezystancji realizowalnej w oparciu o wzorzec kwantowy rezystancji, wykorzystujący kwantowy efekt Halla, na wzorce pojemności i indukcyjności. Ponadto pozwoli na precyzyjne komparacje impedancji o różnym charakterze jak i na pomiar impedancji z bardzo dużą dokładnością. Pomiary impedancji elektrycznej są obecnie powszechne w produkcji i badaniu urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz w projektowaniu, produkcji i testowaniu układów elektronicznych. Przykładowo różne typy czujników: termometry oporowe, pojemnościowe czujniki przemieszczenia, czujniki zbliżeniowe (w tym ekrany dotykowe), barometry i higrometry, przekształcają nieelektryczną wielkość wejściową w impedancję elektryczną. Spektroskopia impedancyjna, odgrywająca bardzo ważną rolę w badaniach nieniszczących w szerokim zakresie analiz, takich jak chemiczna i biologiczna charakterystyka ciał stałych, cieczy i materiałów biologicznych oraz w pomiarach właściwości elektrycznych materiałów (przenikalność, przepuszczalność, straty dielektryczne), także opiera się na dokładnym pomiarze impedancji układu lub próbki. Metrologiczna spójność pomiarów impedancji, rozumiana jako odniesienie wyników pomiarów na dowolnym poziomie dokładności do wzorców państwowych, jest zatem warunkiem koniecznym wiarygodności i porównywalności wyników takich analiz. Zapewnienie spójności w pomiarach impedancji wymaga natomiast stosowania wzorcowych układów i systemów pomiarowych, pozwalających odnieść mierzoną impedancję do wzorca o wysokiej dokładności. Opracowany system będzie przydatny co najmniej dla krajowych instytutów metrologicznych, którego rolę w Polsce pełni Główny Urząd Miar, jak i innych laboratoriów metrologicznych.
