Genom att mäta elektronernas slumpmässiga rörelser i ett motstånd, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har bidragit till exakta nya mätningar av Boltzmann -konstanten, ett grundläggande vetenskapligt värde som relaterar ett systems energi till dess temperatur. NIST gjorde en mätning i sin Boulder, Colorado, laboratorium och samarbetade med en annan i Kina.

Dessa resultat kommer att bidra till ett globalt försök att omdefiniera kelvin, den internationella enheten för temperatur, och kan leda till bättre termometrar för industrin.

Noggrann temperaturmätning är avgörande för alla tillverkningsprocesser som kräver specifika temperaturer, såsom stålproduktion. Det är också viktigt för kärnkraftsreaktorer, som kräver exakta termometrar som inte förstörs av strålning och som inte regelbundet behöver bytas ut av mänskliga arbetare.

"Vi lever med temperatur varje dag, sa Samuel Benz, gruppledare för NIST -forskargruppen som är involverad i de nya resultaten. "De nuvarande mätningarna som definierar kelvin är 100 gånger mindre exakta än mätningar som definierar enheterna för massa och elektricitet." Kilogrammet är känt för delar per miljard, medan kelvin bara är känd för en del på en miljon.

I slutet av 2018, representanter från nationer runt om i världen förväntas rösta om huruvida det internationella systemet av enheter ska omdefinieras, känd som SI, vid generalkonferensen om vikter och mått i Frankrike. När den implementerades 2019, det nya SI skulle inte längre förlita sig på fysiska föremål eller ämnen för att definiera måttenheter. Istället, det nya SI skulle vara baserat på naturkonstanter som Boltzmann -konstanten, som i grunden beror på kvantmekanik, teorin som beskriver materia och energi i atomskala.

För att definiera kelvin, forskare mäter för närvarande trippelpunkten för vatten i en förseglad glascell. Trippelpunkten är den temperatur vid vilken vatten, is och vattenånga finns i jämvikt. Detta motsvarar 273,16 kelvin (0,01 grader Celsius eller 32,0 grader Fahrenheit). Kelvin definieras som 1/273,16 av det uppmätta temperaturvärdet.

Denna metod har nackdelar. Till exempel, kemiska föroreningar i vattnet kan sakta sänka cellens temperatur över tiden. Forskare måste också göra korrigeringar på grund av närvaron av olika isotoper av vatten (dvs. med samma antal protoner men olika antal neutroner). Och mätningar vid temperaturer högre eller lägre än vattnets trippelpunkt är i sig mindre exakta.

"Genom att definiera kelvin i termer av Boltzmann -konstanten, du behöver inte ha dessa variationer i osäkerhet, och du kan använda kvantmekaniska effekter, "sa Nathan Flowers-Jacobs, huvudförfattare till tidningen om den nya NIST -mätningen, accepteras för publicering i tidningen Metrologia .

För att Boltzmann -konstanten ska vara tillräckligt bra för att omdefiniera kelvin, det finns två krav som fastställts av den internationella gruppen som ansvarar för emissionen, känd som den rådgivande kommittén för termometri i den internationella kommittén för vikter och mått. Det måste finnas ett experimentvärde med en relativ osäkerhet under 1 del per miljon - och minst en mätning från en andra teknik med en relativ osäkerhet under 3 delar per miljon.

Så forskare har drivit en mängd olika metoder för att mäta Boltzmann -konstanten. Den mest exakta metoden kvarstår mätningar av en gas akustiska egenskaper. Ett NIST -resultat från 1988 gav ett värde som var bättre än 2 delar per miljon, och nyare mätningar har uppnått mindre än 1 del per miljon. Forskare runt om i världen har tagit fram en mängd andra tekniker, inklusive sådana som mäter andra egenskaper hos gaser.

"Det är viktigt att göra denna mätning med flera metoder som är helt olika, ", sa Benz. "Det är också viktigt att du för varje metod gör flera mätningar."

Ett helt annat tillvägagångssätt är en teknik som inte förlitar sig på vanliga gaser utan istället främst på elektriska mätningar. Tekniken mäter graden av slumpmässig rörelse - "brus" - av elektroner i ett motstånd. Detta "Johnson -brus" är direkt proportionellt mot temperaturen på elektroner i motståndet - och Boltzmann -konstanten. Tidigare mätningar av Johnsons brus plågades av problemet med att mäta små spänningar med delar per miljon noggrannhet; detta problem förvärras av Johnson -bruset från själva mätutrustningen.

För att lösa detta problem, NIST-forskarna utvecklade 1999 en "kvantspänningsbruskälla" (QVNS) som en spänningsreferens för Johnson Noise Thermometri (JNT). QVNS använder en supraledande enhet som kallas en Josephson -korsning för att ge en spänningssignal som är i grunden korrekt, eftersom dess egenskaper är baserade på principerna för kvantmekanik. Forskarna jämför QVNS -signalen med spänningsbruset som skapas av elektronernas slumpmässiga rörelser i motståndet. På det här sättet, forskarna kan noggrant mäta Johnsons brus - och Boltzmann -konstanten.

Under 2011, gruppen började publicera Boltzmann konstanta mätningar med denna teknik och har gjort förbättringar sedan dess. Jämfört med 2011 års mätningar, de nya NIST -resultaten är 2,5 gånger mer exakta, med en relativ osäkerhet på cirka 5 delar per miljon.

Enligt Flowers-Jacobs, förbättringen kom från bättre avskärmning av försöksområdet från elektriskt buller och uppgraderingar till elektroniken. Forskarna utförde noggrann "korskorrelation" -analys där de gjorde två uppsättningar mätningar var och ett av Johnson-bruset och kvantspänningsbruskällan för att avvisa andra bruskällor från mätningen. Andra faktorer var att öka storleken på motståndet för en större källa av Johnson-brus och bättre skärmning mellan de olika mätkanalerna för de två uppsättningarna av mätningar.

NIST bidrog också med expertis samt en kvantspänningsbruskälla till en ny Boltzmann -mätning vid National Institute of Metrology i Kina. Tack delvis för utmärkt isolering från bullerkällor, denna mätning har en relativ osäkerhet på 2,8 miljondelar, uppfyller det andra kravet för en omdefinierad kelvin. Detta nya resultat har också accepterats för publicering i Metrologia .

"Det har varit ett mycket samarbete, internationella insatser, "Sade Benz. Tyskland har också påbörjat ett försök att utveckla Johnson bullertermometri för att sprida en primär standard för termometri.

"All data kommer att inkluderas" vid bestämning av ett nytt Boltzmann konstant värde, sa Horst Rogalla, ledare för NIST Johnson Noise Thermometry Project. "Den viktiga punkten är villkoret för att omdefiniera kelvinet har uppfyllts."

Utöver det nya SI, enheter baserade på Johnson -termometri har potential att användas direkt i industrin, inklusive i kärnreaktorer.

"Just nu, vi använder det för att definiera kelvin, men efteråt, vi kommer att använda den som en utmärkt termometer, sa Rogalla.