Эти результаты внесут вклад во всемирные усилия по переопределению кельвина, международной единицы измерения температуры, и могут привести к созданию более совершенных термометров для промышленности.Точное измерение температуры имеет решающее значение для любого производственного процесса, который требует определенных температур, например для производства стали. Это также важно для ядерных энергетических реакторов, для которых требуются точные термометры, которые не разрушаются радиацией и не нуждаются в регулярной замене людьми.«Мы живем с температурой каждый день», — сказал Самуэль Бенц, руководитель исследовательской группы NIST, занимающейся получением новых результатов. «Текущие измерения, определяющие кельвин, в 100 раз менее точны, чем измерения, определяющие единицы массы и электричества».
Килограмм известен с точностью до миллиарда, а кельвин — с точностью до миллиона.Ожидается, что в конце 2018 года представители стран со всего мира проголосуют за переопределение международной системы единиц, известной как СИ, на Генеральной конференции по мерам и весам во Франции.
После внедрения в 2019 году новая СИ больше не будет полагаться на физические объекты или вещества для определения единиц измерения. Вместо этого новый СИ будет основан на константах природы, таких как постоянная Больцмана, которая фундаментально зависит от квантовой механики, теории, которая описывает материю и энергию в атомном масштабе.Чтобы определить градус Кельвина, ученые в настоящее время измеряют тройную точку воды в герметичной стеклянной ячейке.
Тройная точка — это температура, при которой вода, лед и водяной пар находятся в равновесии. Это соответствует 273,16 кельвина (0,01 градуса по Цельсию или 32,0 градуса по Фаренгейту). Кельвин определяется как 1 / 273,16 измеренного значения температуры.
У этого метода есть недостатки. Например, химические примеси в воде могут постепенно понижать температуру ячейки с течением времени.
Исследователи также должны внести поправки из-за присутствия разных изотопов воды (т.е. имеющих одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов). А измерения при температурах выше или ниже тройной точки воды по своей природе менее точны.«Определяя кельвин в терминах постоянной Больцмана, вам не нужно иметь эти вариации неопределенности, и вы можете использовать квантово-механические эффекты», — сказал Натан Флауэрс-Джейкобс, ведущий автор статьи о новом измерении NIST. , принято к публикации в журнале Metrologia.Чтобы постоянная Больцмана была достаточно хорошей для переопределения кельвина, существуют два требования, установленные международной группой, занимающейся этим вопросом, известной как Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов.
Должно быть одно экспериментальное значение с относительной погрешностью менее 1 части на миллион — и по крайней мере одно измерение с помощью второго метода с относительной погрешностью менее 3 частей на миллион.Таким образом, исследователи использовали множество методов для измерения постоянной Больцмана. Самым точным методом остается измерение акустических свойств газа.
Результат NIST 1988 года дал известное значение лучше 2 частей на миллион, а более поздние измерения достигли менее 1 части на миллион. Ученые всего мира разработали множество других методов, в том числе тех, которые измеряют другие свойства газов.
«Важно проводить это измерение с помощью нескольких совершенно разных методов», — сказал Бенц. «Также важно, чтобы для каждого метода вы делали несколько измерений».Совершенно другой подход — это метод, который не полагается на обычные газы, а в основном на электрические измерения.
Этот метод измеряет степень случайного движения — «шума» — электронов в резисторе. Этот «шум Джонсона» прямо пропорционален температуре электронов в резисторе и постоянной Больцмана. Предыдущие измерения шума Джонсона были связаны с проблемой измерения крошечных напряжений с точностью до миллионных долей; эта проблема усугубляется шумом Джонсона самого измерительного оборудования.
Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST в 1999 году разработали «квантовый источник шума напряжения» (QVNS) в качестве эталона напряжения для шумовой термометрии Джонсона (JNT). QVNS использует сверхпроводящее устройство, известное как переход Джозефсона, для обеспечения принципиально точного сигнала напряжения, поскольку его свойства основаны на принципах квантовой механики. Исследователи сравнивают сигнал QVNS с шумом напряжения, создаваемым случайными движениями электронов в резисторе.
Таким образом, исследователи могут точно измерить шум Джонсона и постоянную Больцмана.В 2011 году группа начала публиковать измерения постоянных Больцмана с помощью этого метода и с тех пор внесла улучшения. По сравнению с измерениями 2011 года новые результаты NIST в 2,5 раза точнее с относительной погрешностью примерно 5 частей на миллион.По словам Флауэрса-Джейкобса, улучшение произошло за счет лучшей защиты экспериментальной зоны от паразитных электрических шумов и модернизации электроники.
Исследователи провели тщательный «кросс-корреляционный» анализ, в ходе которого они выполнили по два набора измерений шума Джонсона и источника шума квантового напряжения, чтобы исключить другие источники шума из измерений. Другие факторы включали увеличение размера резистора для более крупного источника шума Джонсона и лучшее экранирование между различными измерительными каналами для двух наборов измерений.NIST также внес свой вклад в новое измерение Больцмана в Национальном институте метрологии в Китае, а также предоставил квантовый источник шума напряжения.
Частично благодаря отличной изоляции от источников шума, это измерение имеет относительную погрешность 2,8 частей на миллион, что удовлетворяет второму требованию для нового определения кельвина. Этот новый результат также был принят для публикации в Metrologia.
«Это были совместные международные усилия», — сказал Бенц. Германия также начала разработку шумовой термометрии Джонсона для распространения первичного стандарта термометрии.
«Все данные будут включены» в определение нового значения постоянной Больцмана, — сказал Хорст Рогалла, руководитель проекта NIST Johnson Noise Thermometry Project. «Важным моментом является то, что условие для переопределения кельвина выполнено».Помимо нового SI, устройства, основанные на термометрии Джонсона, потенциально могут использоваться непосредственно в промышленности, в том числе в ядерных реакторах. «В настоящее время мы используем его для определения кельвина, но потом мы будем использовать его как отличный термометр», — сказал Рогалла.