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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Research to realize the definition of the kilogram based on the fundamental constants

Research Project

Project/Area Number 16H03901
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

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, 研究グループ付 (60356938)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 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)
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)
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)
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)
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)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords基礎物理定数 / 標準 / プランク定数 / アボガドロ定数 / 質量
Outline of Annual Research Achievements

近年、普遍的な基礎物理定数によって、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29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、モードホップのない20 GHzの範囲にわたる光周波数掃引を可能とした。
2)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)で決定した。新たなキログラムの定義は、原子の質量と密接に関連するプランク定数となる予定である。科学技術データ委員会(CODATA)は、2017年10月に新たなキログラムの基準となるプランク定数の値を決定した。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。これは、1889年に国際キログラム原器によって質量の単位が定義されて以来、130年ぶりとなる定義改定に大きく貢献する歴史的な成果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Si球体直径測定用青色半導体レーザー干渉計開発は順調に進んでおり、平成30年度には測定が可能となる見込みである。一方、平成30年度に予定していた28Si単結晶球体を用いたアボガドロ定数測定に関しては、予定を前倒しして、平成29年度に実施した。これは、28Si単結晶球体が国際プロジェクト「アボガドロ国際プロジェクト」に参画している5つの研究機関の共同財産であり、産総研が測定のための28Si球体を保持できる期間が平成29年度に限られてしまったためである。このため、本研究で開発予定の青色半導体レーザー干渉計ではなく、すでに整備済みの赤色半導体レーザーを用い、球体直径測定を行いアボガドロ定数を決定せざるを得なかった。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度は、開発した青色半導体レーザーによるSi球体体積測定を実施する。さらに、国際プロジェクト「アボガドロ国際プロジェクト」参画研究機関の合意が得られれば、平成29年度に実施した28Si単結晶球体の直径測定、質量測定、表面分析を再び実施、アボガドロ定数を決定する。平成29年度に測定した測定したアボガドロ定数との整合性確認、他国の国立計量標準機関の決定したアボガドロ定数との比較を行う。

Remarks

本研究で実施した基礎物理定数によってキログラムを定義するための研究の詳細を上記のホームページにまとめています。

  • Research Products

    (16 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 5 results) Presentation (2 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ドイツ物理工学研究所(PTB)/イタリア計量研究所(INRIM)/オーストラリア計量研究所(NMIA)(ドイツ、イタリア、オーストラリア)

    • Country Name
      ドイツ、イタリア、オーストラリア
    • Counterpart Institution
      ドイツ物理工学研究所(PTB)/イタリア計量研究所(INRIM)/オーストラリア計量研究所(NMIA)
    • # of Other Institutions
      1
  • [Journal Article] Self-weight effect in the measurement of the volume of silicon spheres2018

    • Author(s)
      D Mari, E Massa, N Kuramoto and G Mana
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 55 Pages: 294-301

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aaaed5

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Avogadro constant measurements using enriched 28Si monocrystals2018

    • Author(s)
      K Fujii, E Massa, H Bettin, Naoki Kuramoto and G Mana
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 55 Pages: L1-L4

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa9abd

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The CODATA 2017 values of h, e, k, and NA for the revision of the SI2018

    • Author(s)
      D B Newell, F Cabiati, J Fischer, K Fujii, S G Karshenboim, H S Margolis, E de Mirand P J Mohr, F Nez, K Pachucki
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 55 Pages: L13-L16

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa950a

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A comparison of future realizations of the kilogram2018

    • Author(s)
      Michael Stock, Kenichi Fujii, Kazuaki Fujita, Naoki Kuramoto, Shigeki Mizushima, Lulu Zhang ほか
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 55 Pages: T1-T7

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa9a7e

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Determination of the Avogadro constant by the XRCD method using a 28Si enriched sphere2017

    • Author(s)
      Naoki Kuramoto, Shigeki Mizushima, Lulu Zhang, Kazuaki Fujita, Yasushi Azuma, Akira Kurokawa, Sho Okubo, Hajime Inaba and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 54 Pages: 716-729

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa77d1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Realization of the kilogram based on the Planck constant at NMIJ2017

    • Author(s)
      Naoki Kuramoto, Lulu Zhang, Shigeki Mizushima, Kazuaki Fujita, Yasushi Azuma, Akira Kurokwa and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      IEEE Trans. Instrum. Meas.

      Volume: 66 Pages: 1267-1274

    • DOI

      10.1109/TIM.2016.2624878

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Volume measurements of 28Si-enriched spheres using an improved optical interferometer for the determination of the Avogadro constant2017

    • Author(s)
      Naoki Kuramoto, Yasushi Azuma, Hajime Inaba and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 54 Pages: 193-203

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa5379

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A new 28Si single crystal: counting the atoms for the new kilogram definition2017

    • Author(s)
      Guido Bartl, Kenichi Fujii, Kazuaki Fujita, Naoki Kuramoto, Shigeki Mizushima, Lulu Zhang ほか
    • Journal Title

      Metrologia

      Volume: 54 Pages: 693-715

    • DOI

      10.1088/1681-7575/aa7820

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mass measurement of 28Si-enriched spheres at NMIJ for the determination of the Avogadro constant2017

    • Author(s)
      Shigeki Mizushima, Naoki Kuramoto, Lulu Zhang and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      IEEE Trans. Instrum. Meas.

      Volume: 66 Pages: 1275-1282

    • DOI

      10.1109/TIM.2017.2653498

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface layer analysis of a 28Si-enriched sphere both in vacuum and in air by ellipsometery2017

    • Author(s)
      Kazuaki Fujita, Naoki Kuramoto, Yasushi Azuma, Shigeki Mizushima and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      IEEE Trans. Instrum. Meas.

      Volume: 66 Pages: 1283-1288

    • DOI

      10.1109/TIM.2016.2634640

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thicknes measurement of oxide and carbonaceous layers on a 28Si sphere by XPS2017

    • Author(s)
      Lulu Zhang, Naoki Kuramoto, Yasushi Azuma, Akira Kurokawa and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      IEEE Trans. Instrum. Meas.

      Volume: 66 Pages: 1297-1303

    • DOI

      10.1109/TIM.2016.2634678

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Uniformity evaluation of lattice spacing of 28Si single crystals2017

    • Author(s)
      Atsushi Waseda, Hiroyuki Fujimoto, X. W. Zhang, Naoki Kuramoto and Kenichi Fujii
    • Journal Title

      IEEE Trans. Instrum. Meas.

      Volume: 66 Pages: 1304-1308

    • DOI

      10.1109/TIM.2016.2624838

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新たなキログラムを導くためのプランク定数精密測定2018

    • Author(s)
      倉本直樹, 藤井賢一
    • Organizer
      2018年精密工学会春季大会
    • Invited
  • [Presentation] キログラムの定義改定に向けた白金イリジウム製質量標準の設定2017

    • Author(s)
      水島茂喜, 倉本直樹, 藤井賢一
    • Organizer
      第34回センシングフォーラム(計測自動制御学会主催)
  • [Remarks] 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/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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