Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) encontraram uma maneira de vincular as medições feitas por um dispositivo integral à fabricação de microchip e outras indústrias diretamente ao Sistema Internacional de Unidades (SI, recentemente redefinido) sistema métrico moderno). Essa rastreabilidade pode aumentar muito a confiança dos usuários em suas medições porque o SI agora é baseado inteiramente em constantes fundamentais da natureza.

O dispositivo, um disco do tamanho de uma moeda, denominado microbalança de cristal de quartzo (QCM), é extremamente importante para empresas que dependem do controle de precisão da formação de filmes finos. Muito fino:Eles variam de micrômetros (milionésimos de metro) a algumas dezenas de nanômetros (bilionésimos de um metro, ou cerca de 10, 000 vezes mais fino do que um cabelo humano) e são normalmente produzidos em uma câmara de vácuo, expondo uma superfície alvo a uma quantidade meticulosamente regulada de vapor químico que adere à superfície e forma o filme. Quanto maior a exposição, mais espesso o filme.

Filmes finos são componentes essenciais em dispositivos semicondutores eletrônicos, revestimentos ópticos para lentes, LEDs, células solares, mídia de gravação magnética para computação, e muitas outras tecnologias. Eles também são empregados em tecnologias que medem a concentração de contaminantes microbianos no ar, patógenos no abastecimento de água, e o número de microorganismos que se ligam a superfícies biológicas no curso da infecção.

Todos esses usos exigem medições extremamente precisas da espessura do filme. Porque isso é difícil de medir diretamente, os fabricantes costumam usar QCMs, que têm uma propriedade valiosa:quando uma corrente alternada é aplicada a eles, eles vibram em uma frequência ressonante única para cada disco e sua massa.

Para determinar exatamente quanto material de filme está sendo depositado, eles colocam o disco QCM na câmara de vácuo e medem sua frequência de ressonância. Em seguida, o disco é exposto a um vapor químico. Quanto mais vapor adere ao QCM, quanto maior sua massa - e mais devagar ele vibra. Essa mudança na frequência é uma medida sensível da massa adicionada.

"Mas, apesar da implementação onipresente de QCMs em toda a indústria e academia, "disse o físico do NIST e pesquisador principal Corey Stambaugh, "um link direto para a unidade de massa do SI não existia." A relação entre a unidade SI de massa (o quilograma) e a frequência de ressonância é considerada bem caracterizada após décadas de medições QCM. Mas ao longo dos anos, a indústria fez consultas ao NIST sobre a precisão absoluta da massa dessas medições de frequência. Os novos resultados apresentados por Stambaugh e colegas são, em grande medida, uma resposta a essas perguntas.

"Esperamos que nossas descobertas possibilitem um novo, maior nível de garantia em medições de QCM, fornecendo rastreabilidade para o novo SI, "disse o físico do NIST Joshua Pomeroy, que com Stambaugh e outros relatam suas descobertas hoje no jornal Metrologia . A redefinição das unidades SI em maio de 2019 eliminou o quilograma de protótipo de metal anterior como padrão e, em vez disso, definiu o quilograma em termos de uma constante quântica.

No novo SI, a massa no nível do quilograma será realizada nos Estados Unidos usando essa constante no balanço de Kibble do NIST.

No novo SI, NIST Eles também desenvolveram um instrumento padrão, chamado de equilíbrio de força eletrostática (EFB), que fornece medição extremamente precisa de massas na faixa de miligramas e inferior), que estão diretamente ligados ao SI por meio de uma constante quântica. O EFB forneceu à equipe massas de tamanhos em miligramas de referência com uma precisão da ordem de uma fração de micrograma (1/1, 000, 000º de 1 grama, ou cerca de um milionésimo da massa de um clipe de papel médio).

Stambaugh e seus colegas pesaram cuidadosamente um disco de quartzo não revestido, em seguida, suspendeu-o em uma câmara de vácuo e mediu sua frequência de ressonância. Cerca de 0,5 metros (20 polegadas) abaixo do disco estava uma fornalha que aquecia uma quantidade de ouro a 1480 C (2700 F). O vapor de ouro da fornalha subiu e se ligou à superfície inferior do QCM, aumentando sua massa e, assim, diminuindo sua frequência de ressonância. Os cientistas repetiram o procedimento em diferentes intervalos de tempo e, portanto, em diferentes quantidades de acréscimo de massa. foi repetido em diferentes intervalos de tempo. Os pesquisadores depositaram o vapor de ouro em diferentes intervalos de tempo e registraram as mudanças subsequentes na frequência de ressonância. Eles pesaram o disco novamente usando as mesmas massas de referência EFB. Isso forneceu uma medição precisa da mudança na massa, e assim forneceu uma medida exata da quantidade de ouro depositada.

No decorrer do trabalho, a equipe também realizou uma avaliação completa das incertezas nas medições de QCM. Eles identificaram o método matemático mais preciso para correlacionar a adição de massa à mudança na frequência de ressonância do QCM.

"Este trabalho fornece uma etapa fundamental em uma técnica para rastrear - e, portanto, corrigir - mudanças de massa ao longo do tempo, "disse a física do NIST, Zeina Kubarych.

A esse respeito, as novas descobertas podem ajudar a melhorar a forma como a massa é disseminada seguindo a nova definição de SI. O novo quilograma é "realizado" - convertido de uma definição abstrata para uma realidade física - por meio de medições laboratoriais altamente controladas em uma câmara de vácuo. Mas os padrões de trabalho do quilograma serão disseminados - fisicamente entregues a laboratórios de ciência da medição - na forma de massas de metal ao ar livre. Isso significa que o vapor de água e tudo o mais no ar podem ser adsorvidos na superfície de um padrão de trabalho de quilograma, causando medições imprecisas de sua massa.

Como a umidade e os contaminantes do ar diferem substancialmente em todo o mundo, as medições de um padrão de massa cuidadosamente calibrado podem diferir consideravelmente de um lugar para outro nos níveis de precisão necessários para a metrologia industrial e científica. Se, Contudo, um QCM calibrado deveria acompanhar cada padrão, poderia fornecer uma medida precisa da quantidade de material adsorvido em trânsito e no destino, ajudando os laboratórios a receber definições mais precisas do novo quilograma, levando em consideração as condições ambientais.