Midiendo el movimiento aleatorio de los electrones en una resistencia, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han contribuido a nuevas mediciones precisas de la constante de Boltzmann, un valor científico fundamental que relaciona la energía de un sistema con su temperatura. NIST hizo una medición en su Boulder, Colorado, laboratorio y colaboró ​​en otro en China.

Estos resultados contribuirán a un esfuerzo mundial para redefinir el kelvin, la unidad internacional de temperatura, y podría conducir a mejores termómetros para la industria.

La medición precisa de la temperatura es fundamental para cualquier proceso de fabricación que requiera temperaturas específicas, como la producción de acero. También es importante para los reactores de energía nuclear, que requieren termómetros precisos que no sean destruidos por la radiación y no necesiten ser reemplazados regularmente por trabajadores humanos.

"Vivimos con la temperatura todos los días, "dijo Samuel Benz, líder de grupo del equipo de investigación del NIST involucrado con los nuevos resultados. "Las medidas de corriente que definen el kelvin son 100 veces menos precisas que las medidas que definen las unidades de masa y electricidad". El kilogramo se conoce en partes por mil millones, mientras que el kelvin solo es conocido por una parte en un millón.

A finales de 2018, Se espera que representantes de naciones de todo el mundo voten sobre la redefinición del sistema internacional de unidades. conocido como el SI, en la Conferencia General de Pesas y Medidas en Francia. Cuando se implementó en 2019, el nuevo SI ya no dependería de objetos físicos o sustancias para definir las unidades de medida. En lugar de, el nuevo SI se basaría en constantes de la naturaleza como la constante de Boltzmann, que depende fundamentalmente de la mecánica cuántica, la teoría que describe la materia y la energía a escala atómica.

Para definir el kelvin, Los científicos actualmente miden el punto triple del agua en una celda de vidrio sellada. El punto triple es la temperatura a la que el agua, el hielo y el vapor de agua existen en equilibrio. Esto corresponde a 273,16 kelvin (0,01 grados Celsius o 32,0 grados Fahrenheit). El kelvin se define como 1 / 273,16 del valor de temperatura medido.

Este método tiene inconvenientes. Por ejemplo, Las impurezas químicas en el agua pueden reducir lentamente la temperatura de la celda con el tiempo. Los investigadores también deben hacer correcciones debido a la presencia de diferentes isótopos de agua (es decir, teniendo el mismo número de protones pero diferente número de neutrones). Y las mediciones a temperaturas superiores o inferiores al punto triple del agua son intrínsecamente menos precisas.

"Al definir el kelvin en términos de la constante de Boltzmann, no tienes que tener estas variaciones en la incertidumbre, y puedes usar efectos de mecánica cuántica, "dijo Nathan Flowers-Jacobs, autor principal del artículo sobre la nueva medición NIST, aceptado para publicación en la revista Metrologia .

Para que la constante de Boltzmann sea lo suficientemente buena como para redefinir el kelvin, Existen dos requisitos establecidos por el grupo internacional a cargo de la emisión, conocido como el Comité Consultivo de Termometría del Comité Internacional de Pesas y Medidas. Debe haber un valor experimental con una incertidumbre relativa por debajo de 1 parte por millón, y al menos una medición de una segunda técnica con una incertidumbre relativa por debajo de 3 partes por millón.

De modo que los investigadores han estado siguiendo una variedad de métodos para medir la constante de Boltzmann. El método más preciso sigue siendo la medición de las propiedades acústicas de un gas. Un resultado del NIST de 1988 arrojó un valor conocido en más de 2 partes por millón, y las mediciones más recientes han alcanzado menos de 1 parte por millón. Los científicos de todo el mundo han ideado una variedad de otras técnicas, incluidos los que miden otras propiedades de los gases.

"Es importante realizar esta medición con varios métodos que son completamente diferentes, ", dijo Benz." También es importante que para cada método haga varias mediciones ".

Un enfoque completamente diferente es una técnica que no se basa en gases ordinarios, sino principalmente en mediciones eléctricas. La técnica mide el grado de movimiento aleatorio ("ruido") de los electrones en una resistencia. Este "ruido de Johnson" es directamente proporcional a la temperatura de los electrones en la resistencia y la constante de Boltzmann. Las mediciones pasadas del ruido de Johnson estuvieron plagadas por el problema de medir pequeños voltajes con precisión de partes por millón; este problema se ve agravado por el ruido de Johnson del propio equipo de medición.

Para abordar este asunto, Los investigadores del NIST desarrollaron en 1999 una "fuente de ruido de voltaje cuántico" (QVNS) como referencia de voltaje para la termometría de ruido de Johnson (JNT). El QVNS utiliza un dispositivo superconductor conocido como unión Josephson para proporcionar una señal de voltaje que es fundamentalmente precisa. ya que sus propiedades se basan en los principios de la mecánica cuántica. Los investigadores comparan la señal QVNS con el ruido de voltaje creado por los movimientos aleatorios de los electrones en la resistencia. De este modo, los investigadores pueden medir con precisión el ruido de Johnson y la constante de Boltzmann.

En 2011, el grupo comenzó a publicar medidas constantes de Boltzmann con esta técnica y ha realizado mejoras desde entonces. En comparación con las mediciones de 2011, los nuevos resultados del NIST son 2,5 veces más precisos, con una incertidumbre relativa de aproximadamente 5 partes por millón.

Según Flowers-Jacobs, la mejora provino de un mejor blindaje del área experimental del ruido eléctrico perdido y actualizaciones a la electrónica. Los investigadores realizaron un análisis cuidadoso de "correlación cruzada" en el que realizaron dos conjuntos de mediciones, cada una del ruido de Johnson y la fuente de ruido de voltaje cuántico para rechazar otras fuentes de ruido de la medición. Otros factores incluyeron el aumento del tamaño de la resistencia para una fuente más grande de ruido de Johnson y un mejor blindaje entre los diferentes canales de medición para los dos conjuntos de mediciones.

El NIST también contribuyó con su experiencia y con una fuente de ruido de voltaje cuántico a una nueva medición de Boltzmann en el Instituto Nacional de Metrología de China. Gracias en parte al excelente aislamiento de las fuentes de ruido, esta medida tiene una incertidumbre relativa de 2,8 partes por millón, satisfaciendo el segundo requisito para un kelvin redefinido. Este nuevo resultado también ha sido aceptado para su publicación en Metrologia .

"Ha sido muy colaborativo, esfuerzo internacional, ", Dijo Benz. Alemania también ha comenzado un esfuerzo para desarrollar la termometría de ruido de Johnson para difundir un estándar primario para la termometría.

"Todos los datos se incluirán" al determinar un nuevo valor constante de Boltzmann, dijo Horst Rogalla, líder del Proyecto de Termometría de Ruido de NIST Johnson. "El punto importante es que se ha cumplido la condición para redefinir el kelvin".

Más allá del nuevo SI, Los dispositivos basados ​​en la termometría de Johnson tienen potencial para usarse directamente en la industria, incluso en reactores nucleares.

"En este momento, lo estamos usando para definir el kelvin, pero luego, lo usaremos como un excelente termómetro, "Dijo Rogalla.