Misurando il movimento di oscillazione casuale degli elettroni in un resistore, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno contribuito a nuove misurazioni accurate della costante di Boltzmann, un valore scientifico fondamentale che mette in relazione l'energia di un sistema con la sua temperatura. Il NIST ha effettuato una misurazione nel suo Boulder, Colorado, laboratorio e ha collaborato a un altro in Cina.

Questi risultati contribuiranno a uno sforzo mondiale per ridefinire il kelvin, l'unità internazionale di temperatura, e potrebbe portare a termometri migliori per l'industria.

La misurazione accurata della temperatura è fondamentale per qualsiasi processo di produzione che richiede temperature specifiche, come la produzione di acciaio. È importante anche per i reattori nucleari, che richiedono termometri precisi che non vengono distrutti dalle radiazioni e non devono essere sostituiti regolarmente da lavoratori umani.

"Viviamo con la temperatura ogni giorno, " ha detto Samuel Benz, capogruppo del gruppo di ricerca del NIST coinvolto nei nuovi risultati. "Le misurazioni attuali che definiscono il kelvin sono 100 volte meno accurate delle misurazioni che definiscono le unità di massa ed elettricità". Il chilogrammo è noto a parti per miliardo, mentre il kelvin è noto solo a una parte su un milione.

Alla fine del 2018, i rappresentanti delle nazioni di tutto il mondo dovrebbero votare se ridefinire il sistema internazionale di unità, noto come SI, alla Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure in Francia. Una volta implementato nel 2019, il nuovo SI non farebbe più affidamento su oggetti fisici o sostanze per definire le unità di misura. Anziché, il nuovo SI sarebbe basato su costanti di natura come la costante di Boltzmann, che dipende fondamentalmente dalla meccanica quantistica, la teoria che descrive materia ed energia su scala atomica.

Per definire il kelvin, gli scienziati attualmente misurano il punto triplo dell'acqua in una cella di vetro sigillata. Il punto triplo è la temperatura alla quale l'acqua, ghiaccio e vapore acqueo esistono in equilibrio. Ciò corrisponde a 273,16 kelvin (0,01 gradi Celsius o 32,0 gradi Fahrenheit). Il kelvin è definito come 1/273,16 del valore della temperatura misurata.

Questo metodo ha degli svantaggi. Per esempio, le impurità chimiche nell'acqua possono abbassare lentamente la temperatura della cella nel tempo. I ricercatori devono anche apportare correzioni dovute alla presenza di diversi isotopi dell'acqua (cioè, con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni). E le misurazioni a temperature superiori o inferiori al punto triplo dell'acqua sono intrinsecamente meno precise.

"Definindo il kelvin in termini della costante di Boltzmann, non devi avere queste variazioni nell'incertezza, e puoi usare effetti quantomeccanici, " disse Nathan Flowers-Jacobs, autore principale dell'articolo sulla nuova misurazione NIST, accettato per la pubblicazione sulla rivista metrologia .

Affinché la costante di Boltzmann sia abbastanza buona da ridefinire il kelvin, ci sono due requisiti stabiliti dal gruppo internazionale incaricato dell'emissione, noto come Comitato consultivo sulla termometria del Comitato internazionale per i pesi e le misure. Ci deve essere un valore sperimentale con un'incertezza relativa inferiore a 1 parte per milione e almeno una misurazione da una seconda tecnica con un'incertezza relativa inferiore a 3 parti per milione.

Quindi i ricercatori hanno perseguito una varietà di metodi per misurare la costante di Boltzmann. Il metodo più accurato rimane la misurazione delle proprietà acustiche di un gas. Un risultato NIST del 1988 ha prodotto un valore noto migliore di 2 parti per milione, e le misurazioni più recenti hanno raggiunto meno di 1 parte per milione. Scienziati di tutto il mondo hanno ideato una varietà di altre tecniche, compresi quelli che misurano altre proprietà dei gas.

"È importante eseguire questa misurazione con più metodi completamente diversi, " ha detto Benz. "È anche importante che per ogni metodo si facciano più misurazioni".

Un approccio completamente diverso è una tecnica che non si basa su gas ordinari ma principalmente su misurazioni elettriche. La tecnica misura il grado di movimento casuale - "rumore" - degli elettroni in un resistore. Questo "rumore Johnson" è direttamente proporzionale alla temperatura degli elettroni nel resistore e alla costante di Boltzmann. Le misurazioni passate del rumore Johnson erano afflitte dal problema di misurare minuscole tensioni con una precisione di parti per milione; questo problema è aggravato dal rumore Johnson dell'apparecchiatura di misurazione stessa.

Per affrontare questo problema, i ricercatori del NIST nel 1999 hanno sviluppato una "sorgente di rumore di tensione quantistica" (QVNS) come riferimento di tensione per Johnson Noise Thermometry (JNT). Il QVNS utilizza un dispositivo superconduttore noto come giunzione Josephson per fornire un segnale di tensione fondamentalmente accurato, poiché le sue proprietà sono basate sui principi della meccanica quantistica. I ricercatori confrontano il segnale QVNS con il rumore di tensione creato dai movimenti casuali degli elettroni nel resistore. In questo modo, i ricercatori possono misurare con precisione il rumore di Johnson e la costante di Boltzmann.

Nel 2011, il gruppo ha iniziato a pubblicare misurazioni costanti di Boltzmann con questa tecnica e da allora ha apportato miglioramenti. Rispetto alle misurazioni del 2011, i nuovi risultati NIST sono 2,5 volte più accurati, con un'incertezza relativa di circa 5 parti per milione.

Secondo Flowers-Jacobs, il miglioramento è venuto da una migliore schermatura dell'area sperimentale dai disturbi elettrici vaganti e dagli aggiornamenti all'elettronica. I ricercatori hanno eseguito un'attenta analisi di "correlazione incrociata" in cui hanno effettuato due serie di misurazioni ciascuna del rumore Johnson e della sorgente di rumore di tensione quantistica per rifiutare altre sorgenti di rumore dalla misurazione. Altri fattori includevano l'aumento delle dimensioni del resistore per una fonte più grande di rumore Johnson e una migliore schermatura tra i diversi canali di misurazione per i due set di misurazioni.

Il NIST ha anche contribuito con esperienza e una sorgente di rumore di tensione quantistica a una nuova misurazione Boltzmann presso l'Istituto nazionale di metrologia in Cina. Grazie in parte all'eccellente isolamento dalle fonti di rumore, questa misura ha un'incertezza relativa di 2,8 parti per milione, soddisfare il secondo requisito per un kelvin ridefinito. Questo nuovo risultato è stato accettato anche per la pubblicazione in metrologia .

"È stato molto collaborativo, sforzo internazionale, " Benz ha detto. La Germania ha anche iniziato uno sforzo per sviluppare la termometria del rumore Johnson per diffondere uno standard primario per la termometria.

"Tutti i dati saranno inclusi" nella determinazione di un nuovo valore costante di Boltzmann, disse Horst Rogalla, leader del progetto NIST Johnson Noise Thermometry. "Il punto importante è che la condizione per ridefinire il kelvin è stata soddisfatta".

Oltre il nuovo SI, i dispositivi basati sulla termometria Johnson hanno il potenziale per essere utilizzati direttamente nell'industria, anche nei reattori nucleari.

"Al momento, lo usiamo per definire il kelvin, ma dopo, lo useremo come un ottimo termometro, " ha detto Rogala.