De nouveaux résultats contribueront à l'effort international pour redéfinir l'unité de mesure pour la température – ScienceDaily


En mesurant le mouvement de l'oscillation aléatoire des électrons dans une résistance, les chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont contribué à la précision Nouvelles mesures de la constante de Boltzmann, une valeur scientifique fondamentale qui relie l'énergie d'un système à sa température. NIST a fait une mesure dans son laboratoire Boulder, Colorado, et a 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.

La mesure précise de la température est essentielle pour tout processus de fabrication qui requiert des températures spécifiques telles que la production d'acier. Il est également important pour les réacteurs à énergie nucléaire, qui nécessitent des thermomètres précis qui ne sont pas détruits par rayonnement et ne doivent pas être régulièrement remplacés par des travailleurs humains.

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

À la fin de 2018, les représentants des pays du monde entier devraient voter sur la redéfinition du système international d'unités, appelé SI, à la Conférence générale sur les poids et mesures en France. Lorsqu'il est mis en œuvre en 2019, le nouvel SI ne dépend plus d'objets physiques ou de substances pour définir des unités de mesure. Au lieu de cela, 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 triple point d'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. Ceci correspond à 273.16 kelvins (0.01 degrés 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 lentement abaisser la température de la cellule au fil du temps. Les chercheurs doivent également effectuer des corrections en raison de la présence d'isotopes d'eau différents (c'est-à-dire ayant le même nombre de protons mais différents nombres de neutrons). Et les mesures à des températures supérieures ou inférieures au triple point d'eau sont en soi moins précises.

"En définissant le kelvin en termes de constante de Boltzmann, vous ne devez pas avoir ces variations dans l'incertitude, et vous pouvez utiliser des effets mécaniques quantiques", a déclaré Nathan Flowers-Jacobs, auteur principal du document sur le Nouvelle mesure du NIST, acceptée pour publication dans la revue Metrologia .

Pour que la constante de Boltzmann soit assez bonne pour redéfinir le kelvin, il existe deux exigences établies par le groupe international chargé de la question, connu sous le nom de Comité consultatif sur la thermométrie du Comité international pour les 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 seconde technique avec une incertitude relative inférieure à 3 parties par million

.

Donc, les chercheurs ont poursuivi une variété de méthodes pour mesurer la constante de Boltzmann. La méthode la plus précise reste la mesure des propriétés acoustiques d'un gaz. Un résultat de 1988 NIST 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 conçu diverses autres techniques, y compris celles qui mesurent d'autres propriétés des gaz.

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

Une approche complètement différente est une technique qui ne repose pas sur les gaz ordinaires, mais plutôt sur les mesures électriques. La technique mesure le degré de mouvement aléatoire – "bruit" – des électrons dans une résistance. Ce «bruit Johnson» est directement proportionnel à la température des électrons dans la résistance – et à la constante de Boltzmann. Les mesures passées du bruit de Johnson ont été affectées par le problème de la mesure de petites tensions avec une précision de pièces par million; Ce problème est exacerbé par le bruit Johnson du matériel de mesure lui-même.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs du NIST en 1999 ont développé une "source de bruit de tension quantique" (QVNS) comme référence de tension pour Johnson Noise Thermometry (JNT). Le QVNS utilise un dispositif supraconducteur connu comme une jonction Josephson pour fournir un signal de tension qui est 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 fait des améliorations depuis lors. Par rapport aux mesures de 2011, les nouveaux résultats NIST sont 2,5 fois plus précis, avec une incertitude relative d'environ 5 parties par million.

Selon Flowers-Jacobs, l'amélioration provient d'un meilleur blindage de la zone expérimentale du bruit électrique parasite et des mises à niveau de l'électronique. Les chercheurs ont effectué une analyse "de corrélation" approfondie dans laquelle ils ont fait deux ensembles de mesures du bruit Johnson et de la source de bruit de tension quantique pour rejeter d'autres sources de bruit à partir de la mesure. D'autres facteurs incluaient l'augmentation de la taille de la résistance pour une source plus large de bruit de Johnson et un meilleur blindage entre les différents canaux de mesure pour les deux ensembles de mesures.

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

"Ce fut un effort international très collaboratif", a déclaré Benz. L'Allemagne a également commencé un effort pour développer la thermométrie du bruit Johnson pour diffuser un standard primaire pour la thermométrie.

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

Au-delà de la nouvelle SI, les dispositifs basés sur la thermométrie Johnson ont le potentiel d'être utilisés directement dans l'industrie, y compris dans les réacteurs nucléaires. "Pour le moment, nous l'utilisons pour définir le kelvin, mais ensuite, nous l'utiliserons comme un excellent thermomètre", a déclaré Rogalla.

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