Forskare från Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) har implementerat en ny tryckmätningsmetod, dels som en biprodukt av arbetet med den "nya" kelvinen. Förutom att vara ny, denna procedur är en primär metod, dvs det beror bara på naturliga konstanter. Som en oberoende metod, den kan användas för att kontrollera de mest exakta tryckmätarna, för vilket PTB är känt som världsledande.

Att kontrollera sådana instrument var tidigare möjligt i intervallet upp till 100, endast 000 pascal; nu är 7 miljoner pascal möjliga. En jämförelse mellan mekaniska och elektriska tryckmätningar har alltså gjorts för första gången med en relativ osäkerhet på mindre än 5 × 10 ^-6 . Dessutom, denna nya metod erbjuder unika möjligheter att undersöka helium – ett viktigt modellsystem för fysikens grunder. Forskarna har rapporterat sitt arbete i det aktuella numret av Naturfysik .

Har du någonsin blivit trampad av en person som bär stiletter? Om du är bekant med denna typ av smärta, du kanske redan har ansett att trycket motsvarar en kraft per ytenhet, eller, för att vara mer exakt, att det är resultatet av en kraft som appliceras vertikalt på en yta. Detta är också principen enligt vilken de mest exakta metoderna för tryckmätning fungerar. När du använder en tryckbalans, man mäter gasens tryck under en kolv av en exakt känd yta genom att bestämma gravitationskraften som utövas på kolven. PTB:s tryckbalanser är för närvarande de mest exakta kolvmätarna i världen – högprecisionsinstrument, var och en av dem tillverkade med stor ansträngning.

Som det finns, dock, tryckområden där inte ens de bästa tryckbalanserna mäter så noggrant som metrologer skulle vilja att de skulle göra. Det har under lång tid gjorts försök att utveckla alternativa tryckmätningsmetoder. "Vår nya metod är egentligen väldigt enkel:den bygger på att mäta densiteten hos mätgasen helium med hjälp av en kapacitansmätning. Det innebär att vi mäter i vilken grad gasen ändrar kapacitansen hos en special, mycket stabil kondensator mellan elektroderna, " förklarar Christof Gaiser, fysiker vid PTB. Denna metod hänvisar bara till en universell egenskap hos heliumgas, som uttrycks via dielektricitetskonstanten; det är därför en primär metod.

Gaiser och hans kollegor har därmed för första gången i praktiken lyckats förverkliga ett banbrytande teoretiskt tillvägagångssätt. Redan 1998 Mike Moldover från det amerikanska metrologiinstitutet NIST hade uttryckt sin idé om att mäta tryck via en elektrisk (kapacitans) mätning med hjälp av teoretiska beräkningar av heliums gasegenskaper. Under de följande åren, dock, att genomföra denna idé visade sig vara en verklig utmaning. Både precisionskapacitansmätningen och de mycket stabila kondensatorerna som behövs för detta ändamål, såväl som de teoretiska beräkningarna med enbart naturliga konstanter (ab initio-beräkningar) var ännu inte möjliga med erforderlig noggrannhet. Dessutom, det var inte möjligt att exakt jämföra dem med konventionella tryckvågar.

Vart och ett av de experimentella hindren har tagits bort vid PTB under det senaste decenniet. På grund av aktiviteter som utförs inom ramen för den nya definitionen av basenheten kelvin, som nådde sin höjdpunkt den 20 maj i år med införandet av ett förbättrat system av enheter, konventionella tryckmätningar både med tryckbalanser och via kapacitansmätningar höjdes till en aldrig tidigare skådad nivå över hela världen.

Tack vare de senaste teoretiska beräkningarna som uppnåtts av olika forskargrupper över hela världen, det har nu blivit möjligt att mäta ett tryck på 7 miljoner pascal (dvs. 70 gånger normalt tryck) med en relativ osäkerhet på mindre än 5 × 10 ^-6 . Denna mätning har bekräftats genom jämförelse med en konventionell tryckbalans. Det var den första jämförelsen på lika villkor mellan mekaniska och elektriska tryckmätningar.

Således, en andra metod är nu tillgänglig för att kalibrera tryck med hög noggrannhet. Metoden i sig och den direkta jämförelsen med den konventionella tryckstandarden erbjuder, för en sak, möjligheten att verifiera teoretiska beräkningar av helium – ett viktigt modellsystem inom atomfysik. För en annan, de tillåter också att andra gaser mäts och därmed, både teori och gasmetrologi ska vidareutvecklas.