NIST heeft onlangs substantiële verbeteringen aangebracht aan zijn Johnson-noise thermometriesysteem, die een cruciale rol speelt in de wereldwijde inspanning om de waarde van een belangrijke fysieke constante op tijd te bepalen voor de op handen zijnde herdefiniëring van het International System of Units (SI) in 2018. Het systeem kan nu statistische onzekerheden opleveren die tien keer kleiner zijn dan zijn voorganger.

"Het is een nieuw tijdperk van elektronica en systemen voor geluidsthermometrie, " zegt Weston Tew, die aan het hoofd staat van het Johnson Noise Thermometry (JNT)-project in Gaithersburg van NIST, MD, campus. "We hebben in het verleden andere systemen gehad, maar dit is nu de derde generatie technologie."

De upgrades zullen Tew en collega's helpen bij het nastreven van de meest nauwkeurige waarden die mogelijk zijn voor de Boltzmann-constante (k), die de totale interne energie van een systeem relateert aan de temperatuur en zal worden gebruikt om de kelvin opnieuw te definiëren, de SI-eenheid van thermodynamische temperatuur. De meting bepaalt de verhouding van k tot een andere fundamentele invariant van de natuur:de constante van Planck (h), die energie relateert aan frequentie.

De beste gezaghebbende metingen van de Boltzmann-constante tot nu toe zijn gedaan met akoestische thermometers die de geluidssnelheid in een gas relateren aan de thermodynamische temperatuur. Maar het is zeer wenselijk om waarden die door verschillende fysica en verschillende technologie zijn verkregen te vergelijken met een vergelijkbare onzekerheid. Dat is waar JNT in de SI-herdefinitie komt.

Johnson-ruis is de kleine fluctuatie in spanning veroorzaakt door willekeurige thermische beweging van ladingsdragers (voornamelijk elektronen) in een weerstand, die recht evenredig is met de temperatuur. Hoe groter de amplitude van de spanningsschommeling, hoe hoger de temperatuur.

JNT-metingen zijn een uitdaging. Het thermische spanningsruissignaal is buitengewoon zwak in vergelijking met andere bronnen van ruis in het systeem - op de schaal van nanovolt (10 ^-9 V) per vierkantswortel van de frequentie voor een weerstand van 100 ohm bij kamertemperatuur. Toch kan het systeem van NIST worden gebruikt om k te meten tot een statistische onzekerheid van slechts ongeveer 12 delen per miljoen over een gemiddelde dag.

De sleuteltechnologie is een innovatie die is ontwikkeld bij NIST's Boulder, CO, laboratoria:de Quantized Voltage Noise Source (QVNS). De QVNS genereert een nauwkeurig regelbare hoeveelheid spanningsfluctuatie die in principe gelijk is aan thermische spanningsruis. Maar het QVNS-signaal is het tegenovergestelde van willekeurig. Het maakt gebruik van reeksen Josephson-knooppunten, supergeleidende circuits die werken met kwantumnauwkeurigheid. Het kan op elke gewenste waarde worden ingesteld om overeen te komen met de thermische spanningsruis van elke weerstand bij elke temperatuur, met uitvoer in perfect gekwantiseerde gehele eenheden van h/2e, waarbij e de lading van het elektron is. Het dient dus als een berekenbare ruisbronreferentie.

De JNT-instrumenten van NIST kunnen in twee modi werken. In de absolute meetmodus, het ruisvermogen van de QVNS is geprogrammeerd om dat van een thermisch gegenereerde Johnson-ruisbron in evenwicht te brengen, wat resulteert in een thermodynamische temperatuur die onafhankelijk is van een vaste-puntreferentie. In de relatieve meetmodus, het proces wordt herhaald bij een andere temperatuur en een ander gesynthetiseerd ruisvermogen, resulterend in een thermodynamische temperatuurverhouding. Beide methodologieën vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van conventionele JNT-methoden, die minder flexibiliteit en functionaliteit hebben.

"We maken lawaai, of liever, pseudo-ruis, "zegt Tew. "Je kunt deze Josephson-knooppunten programmeren met een digitale codegenerator die zeer snelle pulsen afgeeft. Het ziet eruit als lawaai voor alle praktische doeleinden, maar is deterministisch in die zin dat het gewoon een bekend patroon keer op keer herhaalt. Maar in het tijdsdomein ziet het er stochastisch uit, luidruchtig."

Dat ruissignaal kan worden aangepast totdat het perfect overeenkomt met de amplitude van de thermische Johnson-ruis die in elke geleider bij een eindige temperatuur bestaat.

NIST's JNT-onderzoek wordt uitgevoerd op drie verschillende locaties op de NIST-campussen in Maryland en Colorado. Het is het enige experiment ter wereld dat de verhouding van k tot h meet. Hierdoor wordt de meting van k nauwkeuriger vanwege de veel lagere onzekerheid in de waarde van h.

In het experiment, de QVNS-uitgang is afgestemd op Johnson-ruis van een weerstand die op het tripelpunt van water wordt gehouden. De thermische ruisamplitude is evenredig met de Boltzmann-constante maal de temperatuur, wat precies bekend is. De QVNS-ruisamplitude wordt bepaald door veelvouden van de Planck-constante, die bekend is met een onzekerheid van 12 delen per miljard. Dus zowel k als h zijn opgenomen als een verhouding van deze metingen.

Het JNT-proces omvat het versterken van beide signalen ongeveer 50, 000-voudig met identieke apparaten en dan de twee matchen. De verbeterde elektronicasuite van NIST helpt fouten in dat proces te minimaliseren. "Het mooie is dat wanneer je het signaal versterkt en je de pseudo-ruis op precies dezelfde manier versterkt, met dezelfde instrumenten, veel systematische fouten heffen elkaar op, "zegt Tew. "Je kunt alle externe ruis weggemiddelden en wat overblijft is de ruis die je echt wilt meten."

Deze mogelijkheid kan worden gebruikt om absolute temperaturen te meten op vaste punten op de internationale temperatuurschaal.

"We kijken met spanning uit naar de resultaten van dit onderzoek, " zegt Gerard Fraser, Hoofd van de Sensor Science Division van NIST. "Als alles volgens plan verloopt, de NIST JNT-metingen zullen een robuuste en onafhankelijke test bieden van de akoestische thermometriemetingen die momenteel de primaire invoer zijn voor de waarde van de Boltzmann-constante wanneer deze vast wordt onder de herdefinitie van de SI."