Il NIST ha recentemente apportato miglioramenti sostanziali al suo sistema di termometria Johnson-noise, che sta svolgendo un ruolo fondamentale nello sforzo mondiale per determinare il valore di una costante fisica chiave nel tempo per l'imminente ridefinizione del Sistema Internazionale di Unità (SI) nel 2018. Il sistema è ora in grado di produrre incertezze statistiche 10 volte inferiori a suo predecessore.

"E' una nuova era dell'elettronica e dei sistemi per la termometria del rumore, "dice Weston Tew, che dirige il progetto Johnson Noise Thermometry (JNT) a Gaithersburg del NIST, dottore, città universitaria. "Abbiamo avuto altri sistemi in passato, ma questa è ora la terza generazione di tecnologia."

Gli aggiornamenti aiuteranno Tew e colleghi nella ricerca dei valori più accurati possibili per la costante di Boltzmann (k), che mette in relazione l'energia interna totale di un sistema con la sua temperatura e servirà a ridefinire il kelvin, l'unità SI della temperatura termodinamica. La misura determina il rapporto di k con un altro invariante fondamentale della natura:la costante di Planck (h), che mette in relazione l'energia con la frequenza.

Le migliori misurazioni autorevoli della costante di Boltzmann fino ad oggi sono state effettuate con termometri acustici che mettono in relazione la velocità del suono in un gas alla temperatura termodinamica. Ma è altamente desiderabile confrontare i valori ottenuti con un'incertezza simile da fisica diversa e tecnologia diversa. Ecco dove JNT entra nella ridefinizione SI.

Il rumore di Johnson è la piccola fluttuazione di tensione causata dal movimento termico casuale dei portatori di carica (principalmente elettroni) in un resistore, che è direttamente proporzionale alla temperatura. Maggiore è l'ampiezza della fluttuazione di tensione, maggiore è la temperatura.

Le misurazioni JNT sono impegnative. Il segnale di rumore della tensione termica è estremamente debole rispetto ad altre fonti di rumore nel sistema, sulla scala dei nanovolt (10 ^-9 V) per radice quadrata della frequenza per un resistore da 100 ohm a temperatura ambiente. Tuttavia, il sistema del NIST può essere utilizzato per misurare k con un'incertezza statistica di solo circa 12 parti per milione in un giorno di media.

La tecnologia abilitante chiave è un'innovazione sviluppata al Boulder del NIST, CO, laboratori:la Quantized Voltage Noise Source (QVNS). Il QVNS genera una quantità di fluttuazione di tensione controllabile con precisione che è sostanzialmente equivalente al rumore della tensione termica. Ma il segnale QVNS è l'opposto di casuale. Utilizza array di giunzioni Josephson, circuiti superconduttori che operano con precisione quantistica. Può essere impostato su qualsiasi valore desiderato per abbinare il rumore della tensione termica di qualsiasi resistore a qualsiasi temperatura, con output in unità intere perfettamente quantizzate di h/2e, dove e è la carica dell'elettrone. Quindi serve come riferimento calcolabile della sorgente di rumore.

Gli strumenti JNT del NIST possono funzionare in due modalità. Nella modalità di misurazione assoluta, la potenza del rumore del QVNS è programmata per bilanciare quella di una sorgente di rumore Johnson generata termicamente, risultando in una temperatura termodinamica indipendente da qualsiasi riferimento a punto fisso. Nella modalità di misurazione relativa, il processo viene ripetuto ad un'altra temperatura e ad un'altra potenza di rumore sintetizzata, determinando un rapporto di temperatura termodinamico. Entrambe le metodologie rappresentano un progresso significativo rispetto ai metodi JNT convenzionali, che hanno meno flessibilità e funzionalità.

"Stiamo generando rumore, o piuttosto, pseudo-rumore, "Dice Tew. "Puoi programmare queste giunzioni Josephson con un generatore di codici digitali che emette impulsi molto veloci. Sembra rumore per tutti gli scopi pratici, ma è deterministico nel senso che ripete semplicemente un modello noto più e più volte. Ma nel dominio del tempo sembra stocastico, rumoroso."

Quel segnale di rumore può essere regolato fino a quando non corrisponde perfettamente all'ampiezza del rumore termico di Johnson che esiste in qualsiasi conduttore a una temperatura finita.

La ricerca JNT del NIST viene condotta in tre diverse località nei campus del Maryland e del Colorado del NIST. È l'unico esperimento al mondo che misura il rapporto tra k e h. Ciò rende la misurazione di k più accurata a causa dell'incertezza molto più bassa nel valore di h.

Nell'esperimento, l'uscita QVNS è abbinata al rumore Johnson da un resistore mantenuto al punto triplo dell'acqua. L'ampiezza del rumore termico è proporzionale alla costante di Boltzmann moltiplicata per la temperatura, che si sa esattamente. L'ampiezza del rumore QVNS è determinata da multipli della costante di Planck, che è noto per un'incertezza di 12 parti per miliardo. Quindi sia k che h sono incorporati come rapporto da queste misurazioni.

Il processo JNT comporta l'amplificazione di entrambi quei segnali circa 50, 000 volte utilizzando un apparato identico e poi abbinando i due. La suite elettronica migliorata del NIST aiuta a ridurre al minimo gli errori in quel processo. "Il bello è che quando si amplifica il segnale e si amplifica lo pseudo rumore esattamente allo stesso modo, con la stessa strumentazione, molti errori sistematici si annullano, " Dice Tew. "Puoi fare la media di tutto il rumore estraneo e ciò che resta è il rumore che vuoi veramente misurare".

Questa capacità può essere utilizzata per misurare le temperature assolute in punti fissi sulla scala della temperatura internazionale.

"Aspettiamo con entusiasmo i risultati di questo studio, "dice Gerald Fraser, Capo della divisione Sensor Science del NIST. "Se tutto va come previsto, le misurazioni del JNT del NIST forniranno un test robusto e indipendente delle misurazioni della termometria acustica che sono attualmente l'input primario per il valore della costante di Boltzmann quando diventa fissa sotto la ridefinizione del SI."