p Ao medir o movimento oscilante aleatório dos elétrons em um resistor, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) contribuíram para novas medições precisas da constante de Boltzmann, um valor científico fundamental que relaciona a energia de um sistema à sua temperatura. O NIST fez uma medição em seu Boulder, Colorado, laboratório e colaborou em outro na China. p Esses resultados contribuirão para um esforço mundial de redefinir o Kelvin, a unidade internacional de temperatura, e pode levar a melhores termômetros para a indústria.

p A medição precisa da temperatura é crítica para qualquer processo de fabricação que requeira temperaturas específicas, como a produção de aço. Também é importante para reatores de energia nuclear, que requerem termômetros precisos que não são destruídos pela radiação e não precisam ser substituídos regularmente por trabalhadores humanos.

p “Vivemos com a temperatura todos os dias, "disse Samuel Benz, líder do grupo da equipe de pesquisa do NIST envolvido com os novos resultados. "As medições atuais que definem o Kelvin são 100 vezes menos precisas do que as medições que definem as unidades de massa e eletricidade." O quilograma é conhecido em partes por bilhão, enquanto o Kelvin é conhecido apenas por uma parte em um milhão.

p No final de 2018, Espera-se que representantes de nações de todo o mundo votem sobre a redefinição do sistema internacional de unidades, conhecido como o SI, na Conferência Geral de Pesos e Medidas na França. Quando implementado em 2019, o novo SI não mais dependeria de objetos físicos ou substâncias para definir unidades de medida. Em vez de, o novo SI seria baseado em constantes da natureza, como a constante de Boltzmann, que depende fundamentalmente da mecânica quântica, a teoria que descreve matéria e energia em escala atômica.

p Para definir o Kelvin, os cientistas atualmente medem o ponto triplo da água em uma célula de vidro selada. O ponto triplo é a temperatura na qual a água, gelo e vapor de água existem em equilíbrio. Isso corresponde a 273,16 kelvins (0,01 graus Celsius ou 32,0 graus Fahrenheit). O kelvin é definido como 1 / 273,16 do valor da temperatura medida.

p Este método tem desvantagens. Por exemplo, Impurezas químicas na água podem diminuir lentamente a temperatura da célula ao longo do tempo. Os pesquisadores também devem fazer correções devido à presença de diferentes isótopos de água (ou seja, tendo o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons). E as medições em temperaturas mais altas ou mais baixas do que o ponto triplo da água são inerentemente menos precisas.

p "Ao definir o Kelvin em termos da constante de Boltzmann, você não precisa ter essas variações na incerteza, e você pode usar efeitos de mecânica quântica, "disse Nathan Flowers-Jacobs, autor principal do artigo sobre a nova medição NIST, aceito para publicação na revista Metrologia .

p Para que a constante de Boltzmann seja boa o suficiente para redefinir o Kelvin, existem dois requisitos estabelecidos pelo grupo internacional responsável pela questão, conhecido como Comitê Consultivo de Termometria do Comitê Internacional de Pesos e Medidas. Deve haver um valor experimental com uma incerteza relativa abaixo de 1 parte por milhão - e pelo menos uma medição de uma segunda técnica com uma incerteza relativa abaixo de 3 partes por milhão.

p Portanto, os pesquisadores têm buscado uma variedade de métodos para medir a constante de Boltzmann. O método mais preciso continua sendo a medição das propriedades acústicas de um gás. Um resultado do NIST de 1988 produziu um valor conhecido superior a 2 partes por milhão, e as medições mais recentes alcançaram menos de 1 parte por milhão. Cientistas de todo o mundo desenvolveram uma variedade de outras técnicas, incluindo aqueles que medem outras propriedades dos gases.

p "É importante fazer essa medição com vários métodos completamente diferentes, "disse Benz." Também é importante que para cada método você faça várias medições. "

p Uma abordagem completamente diferente é uma técnica que não depende de gases comuns, mas principalmente de medições elétricas. A técnica mede o grau de movimento aleatório - "ruído" - dos elétrons em um resistor. Esse "ruído de Johnson" é diretamente proporcional à temperatura dos elétrons no resistor - e à constante de Boltzmann. As medições anteriores de ruído de Johnson foram atormentadas pelo problema de medir tensões minúsculas com precisão de partes por milhão; este problema é agravado pelo ruído Johnson do próprio equipamento de medição.

p Abordar esta questão, os pesquisadores do NIST em 1999 desenvolveram uma "fonte de ruído de tensão quântica" (QVNS) como uma referência de tensão para a termometria de ruído Johnson (JNT). O QVNS usa um dispositivo supercondutor conhecido como junção Josephson para fornecer um sinal de tensão que é fundamentalmente preciso, como suas propriedades são baseadas nos princípios da mecânica quântica. Os pesquisadores comparam o sinal QVNS ao ruído de tensão criado pelos movimentos aleatórios dos elétrons no resistor. Desta maneira, os pesquisadores podem medir com precisão o ruído de Johnson - e a constante de Boltzmann.

p Em 2011, o grupo começou a publicar medições constantes de Boltzmann com essa técnica e fez melhorias desde então. Em comparação com as medições de 2011, os novos resultados do NIST são 2,5 vezes mais precisos, com uma incerteza relativa de aproximadamente 5 partes por milhão.

p De acordo com Flowers-Jacobs, a melhoria veio de uma melhor blindagem da área experimental de ruídos elétricos dispersos e atualizações na eletrônica. Os pesquisadores realizaram uma análise cuidadosa de "correlação cruzada", na qual fizeram dois conjuntos de medições, cada um do ruído de Johnson e da fonte de ruído de tensão quântica, para rejeitar outras fontes de ruído da medição. Outros fatores incluíram o aumento do tamanho do resistor para uma fonte maior de ruído Johnson e melhor blindagem entre os diferentes canais de medição para os dois conjuntos de medições.

p O NIST também contribuiu com experiência, bem como uma fonte de ruído de tensão quântica, para uma nova medição Boltzmann no Instituto Nacional de Metrologia da China. Graças em parte ao excelente isolamento de fontes de ruído, esta medição tem uma incerteza relativa de 2,8 partes por milhão, satisfazendo o segundo requisito para um Kelvin redefinido. Este novo resultado também foi aceito para publicação em Metrologia .

p "Tem sido muito colaborativo, esforço internacional, "Benz disse. A Alemanha também começou um esforço para desenvolver a termometria de ruído Johnson para disseminar um padrão primário para termometria.

p "Todos os dados serão incluídos" na determinação de um novo valor constante de Boltzmann, disse Horst Rogalla, líder do Projeto NIST Johnson Noise Thermometry. "O ponto importante é que a condição para redefinir o Kelvin foi cumprida."

p Além do novo SI, dispositivos baseados na termometria Johnson têm potencial para serem usados ​​diretamente na indústria, inclusive em reatores nucleares.

p "No momento, estamos usando para definir o Kelvin, mas depois, vamos usá-lo como um excelente termômetro, "Rogalla disse.