質量の単位「キログラム」を基礎物理定数によって定義するための研究開発

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H03901
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 倉本 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (60356938)
• 研究分担者: 大久保 章 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (30635800) ; 藤井 賢一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (50357901) ; 水島 茂喜 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60358091) ; 稲場 肇 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (70356492) ; 藤田 一慧 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (80759952)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: キログラム / プランク定数 / アボガドロ定数 / 物理定数測定

研究実績の概要

近年、普遍的な物理定数によって、キログラムを定義することが検討されている。これまでに我々は、シリコン単結晶の密度などからアボガドロ定数を高精度に測定し、定義改定実現のための研究を進めてきている。アボガドロ定数測定の高精度化には、密度測定に必要なシリコン単結晶球体体積測定の高精度化が支配的な役割を果たす。本研究ではキログラムの基礎物理定数による定義実現のため、次の研究開発を行う。
1） 質量1 kgのシリコン単結晶球体の直径を、ほぼ原子間距離に等しい0.3 nmの精度で測定する青色半導体レーザー干渉計を開発し、球体体積を1.0E-8の精度で決定する。
2） 28Si同位体濃縮シリコン結晶を用い、アボガドロ定数を世界最高精度(1.4E-8)で決定する。
この目標を達成するために、以下の項目を平成30年度に実施した。
1）Si球体直径測定用青色半導体レーザー干渉計開発：426 nm付近で光周波数チューニングが可能なシステムを構築した。光周波数の基準には長さの国家計量標準である「光コム」を用い、20 GHzの範囲にわたる光周波数掃引にもとづくSi球体直径測定を可能とした。
2）すでに2017年度に28Si単結晶球体を用いたアボガドロ定数測定：28Si単結晶球体の直径測定、質量測定、表面分析を実施し、アボガドロ定数を世界最高精度（1.2E-8）で決定している。新たなキログラムの定義の基準となるプランク定数の値がすでに科学技術データ委員会（CODATA）によって決定されているが、この値の決定に本研究で決定したアボガドロ定数から導出したプランク定数も採用されている。また、2018年11月に開催された国際度量衡総会においてプランク定数にもとづく新たなキログラムの定義が2019年5月20日から施行されることが決定された。本研究の成果は、1889年に国際キログラム原器によってキログラムが定義されて以来、130年ぶりとなる改定に大きく貢献する歴史的な成果といえる。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] オーストラリア計量研究所（NMIA）(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: オーストラリア計量研究所（NMIA）
• [国際共同研究] ドイツ物理工学研究所（PTB）(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ドイツ物理工学研究所（PTB）
• [国際共同研究] イタリア計量研究所（INRiM）(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: イタリア計量研究所（INRiM）
• [雑誌論文] Volume Measurement of a 28Si-Enriched Sphere for a Determination of the Avogadro Constant at NMIJ (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto Naoki、Zhang Lulu、Fujita Kazuaki、Okubo Sho、Inaba Hajime、Fujii Kenichi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1109/TIM.2018.2878072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electron Paramagnetic Resonance Study on 28Si Single Crystal for the Future Realization of the Kilogram (2019)
  • 著者名/発表者名: Mizushima Shigeki、Kuramoto Naoki、Fujii Kenichi、Umeda Takahide
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1109/TIM.2018.2884044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] XPS study of silicon spheres as a density standard (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang Lulu、Kuramoto Naoki、Kurokawa Akira、Fujii Kenichi
  • 雑誌名: Surface and Interface Analysis 巻: 51 ページ: 400-407
  • DOI: 10.1002/sia.6594
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] キログラムの新しい定義－さらばキログラム原器－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 雑誌名: 化学と工業 巻: 72 ページ: 32-33
• [学会発表] 新しいキログラムの定義 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 学会等名: 平成30年度計量技術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 新たなキログラムの定義を導くためのシリコン単結晶球体形状測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 倉本直樹
  • 学会等名: 平成30年度長さクラブ講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Volume measurement of a 28Si-enriched sphere for a determination of the Avogadro constant at NMIJ (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Kuramoto, L. Zhang, K. Fujita, S. Okubo, H. Inaba and K. Fujii
  • 学会等名: Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2018 (CPEM2018), 2018年7月, パリ（フランス）
  • 国際学会
• [学会発表] Electron paramagnetic resonance study on 28Si single crystal for the future realization of the kilogram (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Mizushima, N. Kuramoto, K. Fujii and T. Umeda
  • 学会等名: Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2018 (CPEM2018), 2018年7月, パリ（フランス）
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of vapor adsorption on the surface of Si spheres by ellipsometry (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Fujita, N. Kuramoto, S. Mizushima and K. Fujii
  • 学会等名: Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2018 (CPEM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison of lattice spacing between crystals by the self-referenced lattice comparator (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Waseda, H. Fujimoto, X. W. Zhang and K. Fujii
  • 学会等名: Conference on Precision Electromagnetic Measurements 2018 (CPEM2018)
  • 国際学会
• [備考] 産業技術総合研究所 工学計測標準研究部門 質量標準研究グループ ホームページ
  • URL: https://unit.aist.go.jp/riem/mass-std/