O NIST fez recentemente melhorias substanciais em seu sistema de termometria de ruído Johnson, que está desempenhando um papel vital no esforço mundial para determinar o valor de uma constante física chave no tempo para a redefinição iminente do Sistema Internacional de Unidades (SI) em 2018. O sistema agora é capaz de gerar incertezas estatísticas 10 vezes menores do que seu antecessor.

"É uma nova era de eletrônicos e sistemas para termometria de ruído, "diz Weston Tew, que lidera o projeto Johnson Noise Thermometry (JNT) em Gaithersburg do NIST, MD, campus. "Tivemos outros sistemas no passado, mas esta é agora a terceira geração de tecnologia. "

As atualizações ajudarão Tew e seus colegas na busca dos valores mais precisos possíveis para a constante de Boltzmann (k), que relaciona a energia interna total de um sistema à sua temperatura e será usada para redefinir o Kelvin, a unidade SI de temperatura termodinâmica. A medição determina a razão de k para outro invariante fundamental da natureza:a constante de Planck (h), que relaciona energia com frequência.

As medições mais confiáveis ​​da constante de Boltzmann até o momento foram feitas com termômetros acústicos que relacionam a velocidade do som em um gás à temperatura termodinâmica. Mas é altamente desejável comparar valores obtidos para uma incerteza semelhante por diferentes físicas e diferentes tecnologias. É aí que entra o JNT na redefinição do SI.

O ruído de Johnson é a pequena flutuação na voltagem causada pelo movimento térmico aleatório de portadores de carga (principalmente elétrons) em um resistor, que é diretamente proporcional à temperatura. Quanto maior for a amplitude da flutuação de voltagem, quanto mais alta for a temperatura.

As medições JNT são desafiadoras. O sinal de ruído de tensão térmica é excessivamente fraco em comparação com outras fontes de ruído no sistema - na escala de nanovolts (10 ^-9 V) por raiz quadrada da frequência para um resistor de 100 ohms em temperatura ambiente. No entanto, o sistema do NIST pode ser utilizado para medir k até uma incerteza estatística de apenas cerca de 12 partes por milhão em um dia de média.

A tecnologia de capacitação chave é uma inovação desenvolvida em Boulder do NIST, CO, laboratórios:o Quantized Voltage Noise Source (QVNS). O QVNS gera uma quantidade precisamente controlável de flutuação de tensão que é basicamente equivalente ao ruído de tensão térmica. Mas o sinal QVNS é o oposto de aleatório. Ele usa matrizes de junções Josephson, circuitos supercondutores que operam com precisão quântica. Ele pode ser definido com qualquer valor desejado para corresponder ao ruído de tensão térmica de qualquer resistor em qualquer temperatura, com saída em unidades inteiras perfeitamente quantizadas de h / 2e, onde e é a carga do elétron. Assim, serve como uma referência de fonte de ruído calculável.

Os instrumentos JNT do NIST podem operar em qualquer um dos dois modos. No modo de medição absoluta, a potência de ruído do QVNS é programada para equilibrar a de uma fonte de ruído Johnson gerada termicamente, resultando em uma temperatura termodinâmica independente de qualquer referência de ponto fixo. No modo de medição relativa, o processo é repetido em outra temperatura e outra potência de ruído sintetizado, resultando em uma razão de temperatura termodinâmica. Ambas as metodologias representam um avanço significativo sobre os métodos JNT convencionais, que têm menos flexibilidade e funcionalidade.

"Estamos gerando ruído, ou melhor, pseudo-ruído, "Tew diz." Você pode programar essas junções Josephson com um gerador de código digital que emite pulsos muito rápidos. Para todos os efeitos práticos, parece ruído, mas é determinista no sentido de que simplesmente repete um padrão conhecido indefinidamente. Mas no domínio do tempo parece estocástico, barulhento."

Esse sinal de ruído pode ser ajustado até que corresponda perfeitamente à amplitude do ruído Johnson térmico que existe em qualquer condutor em uma temperatura finita.

A pesquisa JNT do NIST é conduzida em três locais diferentes nos campi do NIST em Maryland e Colorado. É o único experimento no mundo que mede a razão de k para h. Isso torna a medição de k mais precisa por causa da incerteza muito menor no valor de h.

No experimento, a saída QVNS corresponde ao ruído Johnson de um resistor mantido no ponto triplo da água. A amplitude do ruído térmico é proporcional à constante de Boltzmann vezes a temperatura, que é conhecido exatamente. A amplitude do ruído QVNS é determinada por múltiplos da constante de Planck, que é conhecida por uma incerteza de 12 partes por bilhão. Assim, k e h são incorporados como uma razão a partir dessas medições.

O processo JNT envolve amplificar ambos os sinais cerca de 50, 000 vezes usando aparelhos idênticos e, em seguida, combinando os dois. O conjunto de eletrônicos aprimorado do NIST ajuda a minimizar erros nesse processo. "A beleza disso é que quando você amplifica o sinal e amplifica o pseudo-ruído exatamente da mesma maneira, com a mesma instrumentação, muitos erros sistemáticos são cancelados, "Tew diz." Você pode calcular a média de todos os ruídos estranhos e o que resta é o ruído que você realmente deseja medir. "

Esse recurso pode ser usado para medir temperaturas absolutas em pontos fixos na escala internacional de temperatura.

"Estamos aguardando com entusiasmo os resultados deste estudo, "diz Gerald Fraser, Chefe da Divisão de Ciência de Sensores do NIST. "Se tudo correr como planejado, as medições NIST JNT fornecerão um teste robusto e independente das medições de termometria acústica que são atualmente a principal entrada para o valor da constante de Boltzmann quando ela se torna fixa sob a redefinição do SI. "