Le NIST a récemment apporté des améliorations substantielles à son système de thermométrie Johnson-noise, qui joue un rôle essentiel dans l'effort mondial visant à déterminer la valeur d'une constante physique clé dans le temps pour la redéfinition imminente du Système international d'unités (SI) en 2018. Le système est désormais capable de générer des incertitudes statistiques 10 fois inférieures à son prédécesseur.

"C'est une nouvelle ère de l'électronique et des systèmes de thermométrie de bruit, " dit Weston Tew, qui dirige le projet Johnson Noise Thermometry (JNT) à Gaithersburg du NIST, MARYLAND, Campus. "Nous avons eu d'autres systèmes dans le passé, mais c'est maintenant la troisième génération de technologie."

Les mises à niveau aideront Tew et ses collègues dans leur quête des valeurs les plus précises possibles pour la constante de Boltzmann (k), qui relie l'énergie interne totale d'un système à sa température et servira à redéfinir le kelvin, l'unité SI de la température thermodynamique. La mesure détermine le rapport de k à un autre invariant fondamental de la nature :la constante de Planck (h), qui relie l'énergie à la fréquence.

Les meilleures mesures autorisées de la constante de Boltzmann à ce jour ont été faites avec des thermomètres acoustiques qui relient la vitesse du son dans un gaz à la température thermodynamique. Mais il est hautement souhaitable de comparer les valeurs obtenues à une incertitude similaire par différentes physiques et différentes technologies. C'est là que JNT entre dans la redéfinition SI.

Le bruit de Johnson est la petite fluctuation de tension causée par le mouvement thermique aléatoire des porteurs de charge (principalement des électrons) dans une résistance, qui est directement proportionnel à la température. Plus l'amplitude de la fluctuation de tension est grande, plus la température est élevée.

Les mesures JNT sont difficiles. Le signal de bruit de tension thermique est extrêmement faible par rapport aux autres sources de bruit du système, à l'échelle du nanovolt (10 ^-9 V) par racine carrée de la fréquence pour une résistance de 100 ohms à température ambiante. Pourtant, le système du NIST peut être utilisé pour mesurer k avec une incertitude statistique de seulement environ 12 parties par million sur une journée de calcul de moyenne.

La technologie habilitante clé est une innovation développée à Boulder du NIST, CO, laboratoires :la Quantized Voltage Noise Source (QVNS). Le QVNS génère une quantité contrôlable avec précision de fluctuation de tension qui est fondamentalement équivalente au bruit de tension thermique. Mais le signal QVNS est l'opposé de l'aléatoire. Il utilise des réseaux de jonctions Josephson, circuits supraconducteurs fonctionnant avec une précision quantique. Il peut être réglé sur n'importe quelle valeur souhaitée pour correspondre au bruit de tension thermique de n'importe quelle résistance à n'importe quelle température, avec sortie en unités entières parfaitement quantifiées de h/2e, où e est la charge de l'électron. Il sert ainsi de référence de source de bruit calculable.

Les instruments JNT du NIST peuvent fonctionner dans l'un des deux modes. En mode de mesure absolue, la puissance de bruit du QVNS est programmée pour équilibrer celle d'une source de bruit Johnson générée thermiquement, résultant en une température thermodynamique indépendante de toute référence à point fixe. En mode de mesure relative, le processus est répété à une autre température et à une autre puissance de bruit synthétisée, résultant en un rapport de température thermodynamique. Les deux méthodologies représentent une avancée significative par rapport aux méthodes JNT conventionnelles, qui ont moins de flexibilité et de fonctionnalité.

"Nous générons du bruit, ou plutôt, pseudo-bruit, " dit Tew. " Vous pouvez programmer ces jonctions Josephson avec un générateur de code numérique qui émet des impulsions très rapides. Cela ressemble à du bruit à toutes fins pratiques, mais est déterministe dans le sens où il répète simplement un modèle connu encore et encore. Mais dans le domaine temporel, cela semble stochastique, bruyant."

Ce signal de bruit peut être ajusté jusqu'à ce qu'il corresponde parfaitement à l'amplitude du bruit thermique de Johnson qui existe dans n'importe quel conducteur à une température finie.

La recherche JNT du NIST est menée à trois endroits différents sur les campus du NIST au Maryland et au Colorado. C'est la seule expérience au monde qui mesure le rapport de k à h. Cela rend la mesure de k plus précise en raison de l'incertitude beaucoup plus faible de la valeur de h.

Dans l'expérience, la sortie QVNS est adaptée au bruit Johnson d'une résistance maintenue au point triple de l'eau. L'amplitude du bruit thermique est proportionnelle à la constante de Boltzmann multipliée par la température, qui est connu exactement. L'amplitude du bruit QVNS est déterminée par des multiples de la constante de Planck, qui est connue avec une incertitude de 12 parties par milliard. Ainsi, k et h sont incorporés sous forme de rapport à partir de ces mesures.

Le processus JNT consiste à amplifier ces deux signaux environ 50, 000 fois en utilisant un appareil identique puis en faisant correspondre les deux. La suite électronique améliorée du NIST aide à minimiser les erreurs dans ce processus. « La beauté est que lorsque vous amplifiez le signal et que vous amplifiez le pseudo-bruit exactement de la même manière, avec la même instrumentation, beaucoup d'erreurs systématiques s'annulent, " dit Tew. " Vous pouvez faire la moyenne de tous les bruits parasites et ce qui reste est le bruit que vous voulez vraiment mesurer. "

Cette capacité peut être utilisée pour mesurer des températures absolues à des points fixes sur l'échelle de température internationale.

« Nous attendons avec impatience les résultats de cette étude, " dit Gérald Fraser, Chef de la division Sensor Science du NIST. « Si tout se passe comme prévu, les mesures NIST JNT fourniront un test robuste et indépendant des mesures de thermométrie acoustique qui sont actuellement la principale entrée pour la valeur de la constante de Boltzmann lorsqu'elle devient fixe sous la redéfinition du SI.