NIST ha realizado recientemente mejoras sustanciales en su sistema de termometría de ruido Johnson, que está desempeñando un papel vital en el esfuerzo mundial para determinar el valor de una constante física clave en el tiempo para la inminente redefinición del Sistema Internacional de Unidades (SI) en 2018. El sistema ahora es capaz de producir incertidumbres estadísticas 10 veces más pequeñas que su predecesor.

"Es una nueva era de la electrónica y los sistemas de termometría de ruido, "dice Weston Tew, quien dirige el proyecto Johnson Noise Thermometry (JNT) en NIST's Gaithersburg, MARYLAND, instalaciones. "Hemos tenido otros sistemas en el pasado, pero esta es ahora la tercera generación de tecnología ".

Las actualizaciones ayudarán a Tew y sus colegas en su búsqueda de los valores más precisos posibles para la constante de Boltzmann (k), que relaciona la energía interna total de un sistema con su temperatura y se utilizará para redefinir el kelvin, la unidad SI de temperatura termodinámica. La medida determina la razón de k a otro invariante fundamental de la naturaleza:la constante de Planck (h), que relaciona la energía con la frecuencia.

Las mejores mediciones autorizadas de la constante de Boltzmann hasta la fecha se han realizado con termómetros acústicos que relacionan la velocidad del sonido en un gas con la temperatura termodinámica. Pero es muy deseable comparar los valores obtenidos con una incertidumbre similar por diferentes físicas y diferentes tecnologías. Ahí es donde entra JNT en la redefinición de SI.

El ruido de Johnson es la pequeña fluctuación en el voltaje causada por el movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga (principalmente electrones) en una resistencia, que es directamente proporcional a la temperatura. Cuanto mayor sea la amplitud de la fluctuación de voltaje, cuanto mayor sea la temperatura.

Las mediciones de JNT son un desafío. La señal de ruido de voltaje térmico es extremadamente débil en comparación con otras fuentes de ruido en el sistema, en la escala de nanovoltios (10 ^-9 V) por raíz cuadrada de la frecuencia para una resistencia de 100 ohmios a temperatura ambiente. Sin embargo, el sistema de NIST se puede utilizar para medir k a una incertidumbre estadística de solo alrededor de 12 partes por millón durante un día de promediado.

La tecnología habilitadora clave es una innovación desarrollada en NIST's Boulder, CO, laboratorios:la fuente de ruido de voltaje cuantificado (QVNS). El QVNS genera una cantidad de fluctuación de voltaje controlable con precisión que es básicamente equivalente al ruido de voltaje térmico. Pero la señal QVNS es lo opuesto a aleatorio. Utiliza matrices de uniones Josephson, circuitos superconductores que operan con precisión cuántica. Se puede configurar en cualquier valor deseado para que coincida con el ruido de voltaje térmico de cualquier resistencia a cualquier temperatura, con salida en unidades enteras perfectamente cuantificadas de h / 2e, donde e es la carga del electrón. Por tanto, sirve como referencia de fuente de ruido calculable.

Los instrumentos JNT de NIST pueden operar en cualquiera de dos modos. En el modo de medición absoluta, la potencia de ruido del QVNS está programada para equilibrar la de una fuente de ruido Johnson generada térmicamente, resultando en una temperatura termodinámica independiente de cualquier referencia de punto fijo. En el modo de medición relativa, el proceso se repite a otra temperatura y otra potencia de ruido sintetizado, resultando en una relación de temperatura termodinámica. Ambas metodologías representan un avance significativo sobre los métodos JNT convencionales, que tienen menos flexibilidad y funcionalidad.

"Estamos generando ruido, o mejor, pseudo-ruido, "Dice Tew." Puede programar estas uniones Josephson con un generador de código digital que emite pulsos muy rápidos. Parece ruido a todos los efectos prácticos, pero es determinista en el sentido de que simplemente repite un patrón conocido una y otra vez. Pero en el dominio del tiempo parece estocástico, ruidoso."

Esa señal de ruido se puede ajustar hasta que coincida perfectamente con la amplitud del ruido térmico de Johnson que existe en cualquier conductor a una temperatura finita.

La investigación JNT de NIST se lleva a cabo en tres ubicaciones diferentes en los campus de Maryland y Colorado de NIST. Es el único experimento en el mundo que mide la razón de k a h. Hacerlo hace que la medición de k sea más precisa debido a la incertidumbre mucho menor en el valor de h.

En el experimento, la salida QVNS se corresponde con el ruido de Johnson de una resistencia que se mantiene en el punto triple del agua. La amplitud del ruido térmico es proporcional a la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura, que se conoce exactamente. La amplitud del ruido QVNS está determinada por múltiplos de la constante de Planck, que se conoce con una incertidumbre de 12 partes por mil millones. Por tanto, tanto k como h se incorporan como una relación a partir de estas medidas.

El proceso JNT implica amplificar ambas señales alrededor de 50, 000 veces utilizando aparatos idénticos y luego haciendo coincidir los dos. La suite de electrónica mejorada de NIST ayuda a minimizar los errores en ese proceso. "La belleza de esto es que cuando amplifica la señal y amplifica el pseudo ruido exactamente de la misma manera, con la misma instrumentación, muchos errores sistemáticos se anulan, "Dice Tew." Puede promediar todo el ruido extraño y lo que queda es el ruido que realmente desea medir ".

Esta capacidad se puede utilizar para medir temperaturas absolutas en puntos fijos en la escala de temperatura internacional.

"Estamos anticipando con entusiasmo los resultados de este estudio, "dice Gerald Fraser, Jefe de la División de Ciencia de Sensores del NIST. "Si todo sale según lo planeado, las mediciones de NIST JNT proporcionarán una prueba robusta e independiente de las mediciones de termometría acústica que actualmente son la entrada principal para el valor de la constante de Boltzmann cuando se fija bajo la redefinición del SI ".