En mesurant le mouvement de tremblement aléatoire des électrons dans une résistance, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont contribué à de nouvelles mesures précises de la constante de Boltzmann, une valeur scientifique fondamentale qui relie l'énergie d'un système à sa température. Le NIST a fait une mesure dans son Boulder, Colorado, laboratoire et collaboré à un autre en Chine.

Ces résultats contribueront à un effort mondial pour redéfinir le kelvin, l'unité internationale de température, et pourrait conduire à de meilleurs thermomètres pour l'industrie.

Une mesure précise de la température est essentielle à tout processus de fabrication nécessitant des températures spécifiques, comme la production d'acier. C'est aussi important pour les réacteurs nucléaires, qui nécessitent des thermomètres précis qui ne sont pas détruits par les radiations et n'ont pas besoin d'être régulièrement remplacés par des travailleurs humains.

"Nous vivons avec la température tous les jours, " a déclaré Samuel Benz, chef de groupe de l'équipe de recherche du NIST impliquée dans les nouveaux résultats. "Les mesures actuelles qui définissent le kelvin sont 100 fois moins précises que les mesures définissant les unités de masse et d'électricité." Le kilogramme est connu en parties par milliard, tandis que le kelvin n'est connu que d'une partie sur un million.

Fin 2018, les représentants des nations du monde entier devraient voter sur l'opportunité de redéfinir le système international d'unités, connu sous le nom de SI, à la Conférence générale des poids et mesures en France. Lors de sa mise en œuvre en 2019, le nouveau SI ne s'appuierait plus sur des objets physiques ou des substances pour définir les unités de mesure. Au lieu, le nouveau SI serait basé sur des constantes de la nature telles que la constante de Boltzmann, qui dépend fondamentalement de la mécanique quantique, la théorie qui décrit la matière et l'énergie à l'échelle atomique.

Pour définir le kelvin, les scientifiques mesurent actuellement le point triple de l'eau dans une cellule de verre scellée. Le point triple est la température à laquelle l'eau, la glace et la vapeur d'eau existent en équilibre. Cela correspond à 273,16 kelvins (0,01 degré Celsius ou 32,0 degrés Fahrenheit). Le kelvin est défini comme 1/273,16 de la valeur de température mesurée.

Cette méthode présente des inconvénients. Par exemple, les impuretés chimiques dans l'eau peuvent abaisser lentement la température de la cellule au fil du temps. Les chercheurs doivent également apporter des corrections en raison de la présence de différents isotopes de l'eau (c. ayant le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents). Et les mesures à des températures supérieures ou inférieures au point triple de l'eau sont intrinsèquement moins précises.

"En définissant le kelvin en fonction de la constante de Boltzmann, vous n'avez pas besoin d'avoir ces variations d'incertitude, et vous pouvez utiliser des effets de mécanique quantique, " dit Nathan Flowers-Jacobs, auteur principal de l'article sur la nouvelle mesure NIST, accepté pour publication dans la revue Métrologie .

Pour que la constante de Boltzmann soit suffisamment bonne pour redéfinir le kelvin, il y a deux exigences établies par le groupe international en charge de l'émission, connu sous le nom de Comité consultatif de thermométrie du Comité international des poids et mesures. Il doit y avoir une valeur expérimentale avec une incertitude relative inférieure à 1 partie par million et au moins une mesure d'une deuxième technique avec une incertitude relative inférieure à 3 parties par million.

Les chercheurs ont donc appliqué diverses méthodes pour mesurer la constante de Boltzmann. La méthode la plus précise reste la mesure des propriétés acoustiques d'un gaz. Un résultat du NIST de 1988 a donné une valeur connue à mieux que 2 parties par million, et des mesures plus récentes ont atteint moins de 1 partie par million. Les scientifiques du monde entier ont mis au point une variété d'autres techniques, y compris ceux qui mesurent d'autres propriétés des gaz.

"Il est important de faire cette mesure avec plusieurs méthodes qui sont complètement différentes, " a déclaré Benz. " Il est également important que pour chaque méthode, vous fassiez plusieurs mesures. "

Une approche complètement différente est une technique qui ne repose pas sur des gaz ordinaires mais principalement sur des mesures électriques. La technique mesure le degré de mouvement aléatoire - "le bruit" - des électrons dans une résistance. Ce "bruit de Johnson" est directement proportionnel à la température des électrons dans la résistance et à la constante de Boltzmann. Les mesures antérieures du bruit de Johnson étaient entravées par le problème de la mesure de minuscules tensions avec une précision en partie par million; ce problème est exacerbé par le bruit de Johnson de l'équipement de mesure lui-même.

Pour régler ce problème, les chercheurs du NIST ont développé en 1999 une "source de bruit de tension quantique" (QVNS) comme référence de tension pour Johnson Noise Thermometry (JNT). Le QVNS utilise un dispositif supraconducteur connu sous le nom de jonction Josephson pour fournir un signal de tension fondamentalement précis, car ses propriétés sont basées sur les principes de la mécanique quantique. Les chercheurs comparent le signal QVNS au bruit de tension créé par les mouvements aléatoires des électrons dans la résistance. De cette façon, les chercheurs peuvent mesurer avec précision le bruit de Johnson et la constante de Boltzmann.

En 2011, le groupe a commencé à publier des mesures constantes de Boltzmann avec cette technique et a apporté des améliorations depuis lors. Par rapport aux mesures de 2011, les nouveaux résultats du NIST sont 2,5 fois plus précis, avec une incertitude relative d'environ 5 parties par million.

D'après Fleurs-Jacobs, l'amélioration est venue d'un meilleur blindage de la zone expérimentale contre le bruit électrique parasite et des mises à niveau de l'électronique. Les chercheurs ont effectué une analyse minutieuse de "corrélation croisée" dans laquelle ils ont effectué deux séries de mesures, chacune du bruit de Johnson et de la source de bruit de tension quantique pour rejeter les autres sources de bruit de la mesure. D'autres facteurs comprenaient l'augmentation de la taille de la résistance pour une plus grande source de bruit Johnson et un meilleur blindage entre les différents canaux de mesure pour les deux ensembles de mesures.

Le NIST a également apporté son expertise ainsi qu'une source de bruit de tension quantique à une nouvelle mesure Boltzmann à l'Institut national de métrologie en Chine. Grâce en partie à une excellente isolation des sources de bruit, cette mesure a une incertitude relative de 2,8 parties par million, satisfaisant à la deuxième exigence d'un kelvin redéfini. Ce nouveau résultat a également été accepté pour publication dans Métrologie .

"Ça a été très collaboratif, efforts internationaux, ", a déclaré Benz. L'Allemagne a également lancé un effort pour développer la thermométrie de bruit Johnson pour diffuser une norme primaire pour la thermométrie.

"Toutes les données seront incluses" dans la détermination d'une nouvelle valeur constante de Boltzmann, dit Horst Rogalla, chef du projet NIST Johnson Noise Thermometry. "Le point important est que la condition pour redéfinir le kelvin a été remplie."

Au-delà du nouveau SI, les appareils basés sur la thermométrie Johnson ont le potentiel d'être utilisés directement dans l'industrie, y compris dans les réacteurs nucléaires.

"À l'heure actuelle, nous l'utilisons pour définir le kelvin, mais après, nous l'utiliserons comme un excellent thermomètre, " dit Rogalla.