science >> Wetenschap >  >> Fysica

NIST-ruisthermometrie levert nauwkeurige nieuwe metingen van de Boltzmann-constante op

Deze kwantumspanningsruisbron (QVNS) levert een fundamenteel nauwkeurig spanningssignaal dat kan worden vergeleken met de spanningsruis van elektronen in een weerstand. Door de spanningsruis te meten, konden onderzoekers de Boltzmann-constante bepalen, die een energie van een systeem relateert aan zijn temperatuur. Krediet:Dan Schmidt/NIST

Door de willekeurige wiebelbeweging van elektronen in een weerstand te meten, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben bijgedragen aan nauwkeurige nieuwe metingen van de Boltzmann-constante, een fundamentele wetenschappelijke waarde die de energie van een systeem relateert aan zijn temperatuur. NIST deed één meting in zijn Boulder, Colorado, laboratorium en werkte mee aan een ander laboratorium in China.

Deze resultaten zullen bijdragen aan een wereldwijde inspanning om de kelvin, de internationale eenheid van temperatuur, en zou kunnen leiden tot betere thermometers voor de industrie.

Nauwkeurige temperatuurmeting is van cruciaal belang voor elk productieproces dat specifieke temperaturen vereist, zoals staalproductie. Het is ook belangrijk voor kernreactoren, die nauwkeurige thermometers vereisen die niet door straling worden vernietigd en die niet regelmatig door menselijke arbeiders hoeven te worden vervangen.

"We leven elke dag met temperatuur, " zei Samuel Benz, groepsleider van het NIST-onderzoeksteam betrokken bij de nieuwe resultaten. "De huidige metingen die de kelvin definiëren, zijn 100 keer minder nauwkeurig dan metingen die de eenheden voor massa en elektriciteit definiëren." De kilogram is bekend in delen per miljard, terwijl de kelvin maar voor een deel op een miljoen bekend is.

Eind 2018, Van vertegenwoordigers van landen over de hele wereld wordt verwacht dat ze stemmen over het al dan niet herdefiniëren van het internationale systeem van eenheden, bekend als de SI, op de Algemene Conferentie over maten en gewichten in Frankrijk. Bij implementatie in 2019, de nieuwe SI zou niet langer afhankelijk zijn van fysieke objecten of stoffen om meeteenheden te definiëren. In plaats daarvan, de nieuwe SI zou gebaseerd zijn op natuurconstanten zoals de Boltzmann-constante, die fundamenteel afhangt van de kwantummechanica, de theorie die materie en energie op atomaire schaal beschrijft.

Om de kelvin te definiëren, wetenschappers meten momenteel het tripelpunt van water in een afgesloten glazen cel. Het tripelpunt is de temperatuur waarbij water, ijs en waterdamp bestaan ​​in evenwicht. Dit komt overeen met 273,16 kelvin (0,01 graden Celsius of 32,0 graden Fahrenheit). De Kelvin wordt gedefinieerd als 1/273,16 van de gemeten temperatuurwaarde.

Deze methode heeft nadelen. Bijvoorbeeld, chemische onzuiverheden in het water kunnen de celtemperatuur in de loop van de tijd langzaam verlagen. Onderzoekers moeten ook correcties aanbrengen vanwege de aanwezigheid van verschillende isotopen van water (d.w.z. met hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen). En metingen bij temperaturen hoger of lager dan het tripelpunt van water zijn inherent minder nauwkeurig.

"Door de Kelvin te definiëren in termen van de Boltzmann-constante, je hoeft deze variaties in onzekerheid niet te hebben, en je kunt kwantummechanische effecten gebruiken, " zei Nathan Flowers-Jacobs, hoofdauteur van het artikel over de nieuwe NIST-meting, geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Metrologie .

Om de Boltzmann-constante goed genoeg te laten zijn om de Kelvin opnieuw te definiëren, er zijn twee vereisten die zijn vastgesteld door de internationale groep die verantwoordelijk is voor de uitgifte, bekend als het Raadgevend Comité voor Thermometrie van het Internationaal Comité voor Maten en Gewichten. Er moet één experimentele waarde zijn met een relatieve onzekerheid van minder dan 1 deel per miljoen - en ten minste één meting van een tweede techniek met een relatieve onzekerheid van minder dan 3 delen per miljoen.

Daarom hebben onderzoekers verschillende methoden gevolgd om de Boltzmann-constante te meten. De meest nauwkeurige methode blijft het meten van de akoestische eigenschappen van een gas. Een NIST-resultaat uit 1988 leverde een waarde op waarvan bekend is dat deze beter is dan 2 delen per miljoen, en meer recente metingen hebben minder dan 1 deel per miljoen bereikt. Wetenschappers over de hele wereld hebben een verscheidenheid aan andere technieken bedacht, inclusief degenen die andere eigenschappen van gassen meten.

"Het is belangrijk om deze meting te doen met meerdere methoden die totaal verschillend zijn, "zei Benz. "Het is ook belangrijk dat je voor elke methode meerdere metingen doet."

Een heel andere benadering is een techniek die niet berust op gewone gassen, maar voornamelijk op elektrische metingen. De techniek meet de mate van willekeurige beweging - "ruis" - van elektronen in een weerstand. Deze "Johnson-ruis" is recht evenredig met de temperatuur van elektronen in de weerstand - en de Boltzmann-constante. Eerdere metingen van Johnson-ruis werden geplaagd door het probleem van het meten van kleine spanningen met een nauwkeurigheid van deeltjes per miljoen; dit probleem wordt verergerd door het Johnson-geluid van de meetapparatuur zelf.

Om dit probleem aan te pakken, de NIST-onderzoekers ontwikkelden in 1999 een "quantum voltage noise source" (QVNS) als spanningsreferentie voor Johnson Noise Thermometry (JNT). De QVNS gebruikt een supergeleidend apparaat dat bekend staat als een Josephson-junctie om een ​​spanningssignaal te leveren dat fundamenteel nauwkeurig is, omdat de eigenschappen ervan gebaseerd zijn op de principes van de kwantummechanica. De onderzoekers vergelijken het QVNS-signaal met de spanningsruis die ontstaat door de willekeurige bewegingen van elektronen in de weerstand. Op deze manier, de onderzoekers kunnen Johnson-ruis nauwkeurig meten - en de Boltzmann-constante.

In 2011, de groep begon met het publiceren van constante metingen van Boltzmann met deze techniek en heeft sindsdien verbeteringen aangebracht. In vergelijking met de metingen van 2011 de nieuwe NIST-resultaten zijn 2,5 keer nauwkeuriger, met een relatieve onzekerheid van ongeveer 5 delen per miljoen.

Volgens Flowers-Jacobs, de verbetering kwam van een betere afscherming van het experimentele gebied tegen verdwaalde elektrische ruis en upgrades van de elektronica. De onderzoekers voerden een zorgvuldige "cross-correlatie" -analyse uit waarbij ze twee sets metingen deden, elk van de Johnson-ruis en de kwantumspanningsruisbron om andere ruisbronnen van de meting te verwerpen. Andere factoren waren onder meer het vergroten van de weerstand voor een grotere bron van Johnson-ruis en een betere afscherming tussen de verschillende meetkanalen voor de twee sets metingen.

NIST heeft ook expertise en een kwantumspanningsruisbron bijgedragen aan een nieuwe Boltzmann-meting aan het National Institute of Metrology in China. Mede dankzij de uitstekende isolatie van geluidsbronnen, deze meting heeft een relatieve onzekerheid van 2,8 delen per miljoen, voldoen aan de tweede vereiste voor een opnieuw gedefinieerde kelvin. Dit nieuwe resultaat is ook geaccepteerd voor publicatie in Metrologie .

"Het is een zeer samenwerking geweest, internationale inspanning, " Benz zei. Duitsland is ook begonnen met een poging om Johnson-geluidsthermometrie te ontwikkelen voor het verspreiden van een primaire standaard voor thermometrie.

"Alle gegevens worden meegenomen" bij het bepalen van een nieuwe Boltzmann-constante, zei Horst Rogalla, leider van het NIST Johnson Noise Thermometry Project. "Het belangrijkste punt is dat aan de voorwaarde voor het herdefiniëren van de kelvin is voldaan."

Voorbij de nieuwe SI, apparaten op basis van Johnson-thermometrie kunnen direct in de industrie worden gebruikt, ook in kernreactoren.

"Momenteel, we gebruiken het om de kelvin te definiëren, maar daarna, we zullen het gebruiken als een uitstekende thermometer, ' zei Rogalla.