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NIST实现了更精准的量子级温度测量

  通过测量电阻器中电子的随机抖动,美国国家标准技术研究所(NIST)的研究人员表示,已经对玻尔兹曼常数进行了新的精确测量。NIST在美国科罗拉多州的博尔德实验室进行了一个测量,并与中国的另一个实验室合作进行测量。

  对需要精确特定温度的工业制造领域而言,精确的温度测量至关重要,从炼钢到核动力堆都需要精确的温度计,既不会遭到辐射破坏且不需要频繁地人工更换。

  据NIST研究团队主管Samuel Benz介绍,目前定义的开尔文测量值比定义单位质量和电量的测量精度低100倍。公斤以十亿分之一为单位,而开尔文只有百万分之一。

  图:量子电压噪声源(QVNS)提供了基本准确的电压信号,能与电阻器中的电子产生的电压噪声进行比较。测量电压噪声使研究人员能够确定玻尔兹曼常数,其将系统的能量和温度相关联。(来源:Dan Schmidt/NIST)

  明年底(2018)来自全球各国的代表将在法国举行的国际度量衡大会(General Conference on Weights and Measures)上对是否重新界定国际单位系统(SI)进行表决。在2019年实施时,新的SI将不再依赖物理或物质来定义测量单位。新的SI将基于自然常数,如玻尔兹曼(Boltzmann)常数。

  为了定义开尔文,科学家们在密封玻璃池中测量水的三相点。三相点是水、冰和水蒸气的平衡温度。这相当于273.16 kelvins(摄氏0.01度或华氏32.0度)。开尔文定义为测量温度值的1/273.16。

  但这种方法仍有缺陷,随着时间推移,水中的化学杂质会缓慢降低池的温度。由于存在不同的水同位素(即具有相同数量的质子但不同数量的中子),研究人员还必须进行修正。而在高于或低于水三相点温度下的测量本质上不太精确。

  目前国际计量局委员会正就用玻尔兹曼常数重新定义开尔文展开工作,研究人员表示,必须有一个相对不确定性低于百万分之一的实验值,以及来自第二项技术中至少有一项测量的相对不确定度低于百万分之三。

  为此,研究人员一直在追求各种测量玻尔兹曼常数的方法。最准确的方法是测量气体的声学性质。1988年NIST的结果已优于百万分之二,而最近的测量数据已达到百万分之一以下。世界各地的科学家们也已开发出多种技术,包括测量其他气体性质的技术。

  其中一种完全不同的方法是不依赖普通气体而依靠电气测量的技术。该技术测量电阻器中电子的随机运动──即“噪声”的程度。这个“约翰逊噪声”(Johnson noise)与电阻器中的电子温度和玻尔兹曼常数成正比。过去,测量约翰逊噪声的问题在于要以百万分之几精度测量微小电压;而测量设备本身的约翰逊噪声则让这个问题更加严重。

  为了解决这个问题,NIST的研究人员在1999年开发了一种“量子电压噪声源”(quantum voltage noise source,QVNS)作为约翰逊噪声测温(JNT)的参考电压。由于其基于量子力学,QVNS使用称为约瑟夫逊结的超导装置来提供基本准确的电压信号。研究人员将QVNS信号与由电阻器中的随机运动产生的电压噪声进行比较。通过这种方式,研究人员可以准确测量约翰逊噪声和波尔兹曼常数。

  2011年,该集团开始使用这种技术公布玻尔兹曼常数的测量并逐步改进。与2011年的测量相比,新的NIST测量结果更准确2.5倍,相对不确定度约为百万分之5。

  研究人员称其改良方法是改进的方法是更好地屏蔽实验区的杂散电噪声和升级到电子设备。他们进行了仔细的“互相关”分析,对约翰逊噪声和量子电压噪声源进行了两组测量,以排除测量中的其他噪声源。其他因素包括增加较大约翰逊噪声源的电阻器尺寸,以及在两组测量的不同测量通道间设置更好的屏蔽。

  NIST也向中国国家计量研究所提供了玻尔兹曼测量相关技术。由于与噪声源的良好隔离,这项测量的相对不确定度为百万分之2.8,能满足重新定义的开尔文的第二个要求。另外,德国也在开发约翰逊噪声测温仪。

  NIST的约翰逊噪声温度计项目负责人Horst Rogalla表示:“在确定新的波尔兹曼常数值时,所有数据都会将被纳入。最重要的是重新定义开尔文的条件已经实现了。”

  “目前我们正在用它来定义开尔文,但之后我们会利用它作为一个高效的温度计,”Rogalla说。