美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员找到了一种方法，将微芯片制造和其他工业领域中不可或缺的一种测量装置的结果直接与最近重新定义的国际单位制（SI）关联起来。由于SI现在完全基于自然的基本常数，因此这种溯源可以极大地增加用户对其测量的信心。

这种不可或缺的装置就是石英晶体微天平（QCM），外表酷似一毛钱硬币大小的圆盘，这对于依赖精确控制薄膜形成的企业来说至关重要。这种薄膜非常薄：薄度从微米（百万分之一米）到几十纳米（十亿分之一米，相当于人类头发丝的万分之一）。它们通常是在真空室中制造出来的，通过将目标表面暴露在经过精心调制的化学蒸汽中，这些蒸汽就会附着在表面并形成薄膜。暴露越长，薄膜就越厚。

薄膜是电子半导体设备、透镜光学涂层、发光二极管（LEDs）、太阳能电池、用于计算的磁记录介质以及许多其他技术的重要组成部分。它们还被用于测量空气中微生物污染物的浓度、供水中的病原体以及在感染过程中附着在生物表面的微生物数量。

这个动画演示了一种将使用石英晶体微天平的质量测量直接与SI关联起来的新方法。通过确保这些微型传感器的准确性，就可以为微电子制造业以及其他行业应用提供一种通用参考。

上述所有运用都需要对薄膜的厚度进行极其准确的测量。这很难直接测量，制造商经常会使用石英晶体微天平（QCM），它有一个很有价值的特点：当接通交流电时，QCM会以谐振频率振动，这个频率因每个圆盘及其质量的不同而不同。

为了准确地确定沉积了多少薄膜材料，他们先将一个QCM圆盘放于真空室中并测量它的谐振频率。然后将圆盘暴露在化学蒸汽中，此时，附着在QCM上的蒸汽越多，它的质量就越大，振动也就越慢。因而依据频率的变化可灵敏地测量出增加的质量。

“尽管QCM在整个工业和学术界都得到了广泛的应用，”NIST的物理学家及首席研究员Corey Stambaugh说，“但是与质量SI单位的直接关联并未实现。” QCM测量已经开展了几十年，按理说，质量的SI单位（千克）和谐振频率之间的关系应该可以明确。然而多年来，工业界一直都向NIST询问关于这些频率测量的绝对质量准确度。Stambaugh和他的同事们展示的这项新成果在很大程度上可以看做是对这无数次询问的回应。

“我们希望我们的发现能够提供到重新定义的SI的溯源，从而使QCM测量具备一个崭新且更高水平的保证，”NIST物理学家Joshua Pomeroy说，相关研究论文已发表于Metrologia。2019年5月对国际单位制的重新定义取消了之前的金属原器千克，取而代之的是用量子常数定义千克。

在新的SI体系中，千克级别的质量在美国将通过在NIST的基布尔天平（Kibble balance）中使用那个常数来实现。

在新的SI中，NIST还开发了一种标准仪器，称为静电力天平（EFB），可提供非常准确的质量测量，范围在毫克内、甚至更低，且经由一个量子常数直接关联到SI。EFB为研究团队给出了微克大小质量的参考，其精度约为零点几微克（1克的一百万分之一，即普通回形针质量的约百万分之一）。

Stambaugh和他的同事们小心翼翼地为一个没有涂层的石英圆盘称重，然后把它悬在一个真空室里，测量它的谐振频率。圆盘下方大约0.5米处是一个熔炉，把一定数量的黄金加热到1480℃，熔炉里的黄金蒸汽上升并附着在QCM的下端表面，圆盘质量增加，谐振频率下降。科学家们在不同的时间间隔内重复这一过程，因此质量的增加也不同。研究人员以不同的时间间隔沉积黄金蒸汽，并记录随后谐振频率的变化。他们使用相同的EFB参考质量再次对圆盘进行称重。这为质量的变化提供了准确的测量，从而对黄金的沉积量给出了精确的测量值。

研究过程中，该团队还对QCM测量的不确定度进行了完整的评估。他们找到了最准确的数学方法以将质量的增加与QCM谐振频率的变化联系起来。

“这项工作为追踪并修正质量随时间发生变化的技术提供了关键的一步，”NIST的物理学家Zeina Kubarych说。

在这方面，新的发现可以帮助改善按照新的SI定义进行的质量标准传递方式。新的千克通过在真空室中高度控制的实验室测量得以“实现”——从抽象的定义转化为物理现实。但是千克的工作标准件将以户外金属质量的形式传递——以物理形式传递到测量科学实验室。这意味着水蒸气和空气中的其他物质可吸附到一千克工作标准件的表面上，导致对其质量的测量不准确。

由于世界各地的湿度和空气污染物差异很大，因此，经过精确校准的质量标准的测量值在工业计量和科学计量所需的准确度水平上可能会因地而异。然而，如果每个标准都附带经过校准的QCM，那么它可以提供对运输途中和目的地吸附的物质量的准确测量，从而帮助实验室在考虑环境条件的情况下获得更准确的新千克定义。