NIST har nyligen gjort betydande förbättringar av sitt Johnson-noise termometri system, som spelar en viktig roll i det globala arbetet med att bestämma värdet av en viktig fysisk konstant i tid för den förestående omdefinieringen av International System of Units (SI) 2018. Systemet kan nu ge statistiska osäkerheter som är 10 gånger mindre än sin föregångare.

"Det är en ny era av elektronik och system för brustermometri, "säger Weston Tew, som leder projektet Johnson Noise Thermometry (JNT) vid NIST:s Gaithersburg, MD, campus. "Vi har haft andra system tidigare men det här är nu tredje generationens teknik. "

Uppgraderingarna hjälper Tew och kollegor att sträva efter de mest exakta värdena som är möjliga för Boltzmann -konstanten (k), som relaterar systemets totala inre energi till dess temperatur och kommer att användas för att omdefiniera kelvin, SI -enheten för termodynamisk temperatur. Mätningen bestämmer förhållandet k till en annan grundläggande invariant av naturen:Planck -konstanten (h), som relaterar energi till frekvens.

De bästa auktoritativa mätningarna av Boltzmann -konstanten hittills har gjorts med akustiska termometrar som relaterar ljudets hastighet i en gas till termodynamisk temperatur. Men det är mycket önskvärt att jämföra värden som erhållits med en liknande osäkerhet genom olika fysiker och olika tekniker. Det är där JNT kommer i SI -omdefinitionen.

Johnson-brus är den lilla fluktuationen i spänningen som orsakas av slumpmässig termisk rörelse av laddningsbärare (främst elektroner) i ett motstånd, som är direkt proportionell mot temperaturen. Ju större amplituden för spänningsfluktuationerna, desto högre temperatur.

JNT -mätningar är utmanande. Den termiska spänningsbrussignalen är extremt svag jämfört med andra bullerkällor i systemet - på skalan av nanovolt (10 ^-9 V) per kvadratrot av frekvensen för ett 100 ohm motstånd vid rumstemperatur. Ändå kan NIST:s system användas för att mäta k till en statistisk osäkerhet på endast cirka 12 delar per miljon under en genomsnittlig dag.

Den viktigaste möjliggörande tekniken är en innovation som utvecklats vid NIST's Boulder, CO, laboratorier:Quantized Voltage Noise Source (QVNS). QVNS genererar en exakt kontrollerbar mängd spänningsfluktuationer som i princip motsvarar termiskt spänningsbrus. Men QVNS -signalen är motsatsen till slumpmässig. Den använder arrays av Josephson -korsningar, supraledande kretsar som arbetar med kvantnoggrannhet. Det kan ställas in på vilket önskat värde som helst för att matcha det termiska spänningsbruset från alla motstånd vid vilken temperatur som helst, med utmatning i perfekt kvantiserade heltalsenheter på h/2e, där e är elektronens laddning. Således fungerar den som en beräknbar bruskällreferens.

NIST:s JNT -instrument kan fungera i något av två lägen. I det absoluta mätläget, bruseffekten för QVNS är programmerad att balansera den från en termiskt genererad Johnson -bruskälla, vilket resulterar i en termodynamisk temperatur oberoende av någon fastpunktsreferens. I det relativa mätläget, processen upprepas vid en annan temperatur och en annan syntetiserad bruseffekt, vilket resulterar i ett termodynamiskt temperaturförhållande. Båda metoderna representerar ett betydande framsteg jämfört med konventionella JNT -metoder, som har mindre flexibilitet och funktionalitet.

"Vi genererar buller, eller snarare, pseudoljud, "Tew säger." Du kan programmera dessa Josephson -korsningar med en digital kodgenerator som släpper ut mycket snabba pulser. Det ser ut som buller för alla praktiska ändamål, men är deterministisk i den meningen att det helt enkelt upprepar ett känt mönster om och om igen. Men i tidsdomänen ser det stokastiskt ut, högljudd."

Den brussignalen kan justeras tills den perfekt matchar amplituden för det termiska Johnson -brus som finns i alla ledare vid en begränsad temperatur.

NIST:s JNT -forskning bedrivs på tre olika platser på NIST:s Maryland- och Colorado -campus. Det är det enda experimentet i världen som mäter förhållandet k till h. Genom att göra det blir mätningen av k mer exakt på grund av den mycket lägre osäkerheten i värdet av h.

I experimentet, QVNS -utgången matchas med Johnson -brus från ett motstånd som förvaras vid vattnets trippelpunkt. Den termiska brusamplituden är proportionell mot Boltzmanns konstanta temperaturer, vilket är känt exakt. QVNS -brusamplituden bestäms av multiplar av Planck -konstanten, vilket är känt för en osäkerhet på 12 delar per miljard. Således inkorporeras både k och h som ett förhållande från dessa mätningar.

JNT -processen innebär att dessa signaler förstärks till cirka 50, 000-faldigt med identisk apparat och sedan matcha de två. NIST:s förbättrade elektronikpaket hjälper till att minimera fel i den processen. "Det fina med det är att när du förstärker signalen och du förstärker pseudoljudet på exakt samma sätt, med samma instrument, många systematiska fel avbryts, "Säger Tew." Du kan genomsnitta bort allt främmande brus och det som återstår är det buller du verkligen vill mäta. "

Denna förmåga kan användas för att mäta absoluta temperaturer vid fasta punkter på den internationella temperaturskalan.

"Vi väntar med spänning på resultaten av denna studie, "säger Gerald Fraser, Chef för NIST:s Sensor Science Division. "Om allt går som planerat, NIST JNT -mätningarna kommer att ge ett robust och oberoende test av de akustiska termometri -mätningarna som för närvarande är den primära ingången för värdet av Boltzmann -konstanten när den blir fixerad under omdefinieringen av SI. "