NIST的“噪聲測溫計”提供了測量玻爾茲曼常數(shù)的新方法

新的結(jié)果對上重新定義溫度測量單位做出了貢獻(xiàn)。

　　該量子電壓噪聲源(QVNS)所生成的自準(zhǔn)確電壓信號可以與電阻器中電子產(chǎn)生的電壓噪聲相媲美。研究人員通過測量電壓噪聲能夠確定玻耳茲曼常數(shù)，而該常數(shù)可將系統(tǒng)的能量與溫度聯(lián)系起來。

　　Credit: Dan Schmidt/NIST

　　通過測量電阻器中電子的隨機抖動，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員幫助實現(xiàn)了玻爾茲曼常數(shù)的新的準(zhǔn)確測量，這個基本的科學(xué)常數(shù)表達(dá)的是系統(tǒng)能量與溫度之間的關(guān)系。NIST在其位于科羅拉多州的博爾德實驗室進(jìn)行了一次測量，并與中國合作進(jìn)行了另一次測量。這些測量結(jié)果對于聯(lián)手重新定義溫度單位開爾文做出了貢獻(xiàn)，并能幫助改進(jìn)工業(yè)所用的測溫計。

　　準(zhǔn)確的溫度測量對于任何需要特定溫度的制造過程都是至關(guān)重要的，比如鋼鐵生產(chǎn)。而這對于核電反應(yīng)堆也更加重要，因為它不僅需要的測溫計，還需要這些測溫計不會遭受輻射破壞，也不需要人工定期更換。

　　參與這項新研究的NIST研究小組負(fù)責(zé)人Samuel Benz介紹說：“我們的日常生活離不開溫度測量，但目前用于定義開爾文的測量值的準(zhǔn)確度還不到定義質(zhì)量單位和電單位的測量值的1/100。”千克的準(zhǔn)確度是10-9量級，而開爾文的準(zhǔn)確度僅僅是1×10-6。

　　2018年底，來自世界各國的代表在法國舉辦的度量衡大會上就是否重新定義單位制(SI)進(jìn)行了投票表決。在2019年實施時，新的單位制將不再依賴于物理對象或物質(zhì)來定義測量單位，而是基于自然常數(shù)，比如玻爾茲曼常數(shù)，這個常數(shù)根本上取決于量子力學(xué)，而量子力學(xué)是描述原子尺度上物質(zhì)和能量的理論。

　　為了定義開爾文，科學(xué)家們的常規(guī)方法是在密封玻璃比色皿中測量水的三相點，即水、冰和水蒸氣處于平衡點時的溫度，這相當(dāng)于273.16開爾文(0.01攝氏度或32.0華氏度)。開爾文定義為所測溫度值的1/273.16。

　　但這種方法仍有缺陷，例如，隨著時間的推移，水中的化學(xué)雜質(zhì)會慢慢降低玻璃皿的溫度。由于存在不同的水同位素(即質(zhì)子數(shù)量相同但中子數(shù)量不同)，研究人員還必須進(jìn)行修正。并且在高于或水的三相點溫度下的測量結(jié)果，本質(zhì)上是不夠的。

　　關(guān)于NIST這種新測量方法的論文已在Metrologia期刊上發(fā)表，其作者Nathan Flowers-Jacobs介紹說：“通過玻爾茲曼常數(shù)來定義開爾文，便可避免這些不確定性，而且還能夠利用量子力學(xué)效應(yīng)。”

　　由于玻爾茲曼常數(shù)足以重新定義開爾文，度量衡委員會的溫度測量咨詢委員會作為負(fù)責(zé)該問題的組織確定了兩個條件：一是必須有一個實驗值的相對不確定度1×10-6，二是至少有一個采用其他方法獲得的測量值的相對不確定度3×10-6。

　　為此，研究人員一直在尋找各種測量玻爾茲曼常數(shù)的方法。的方法仍然是測量氣體的聲學(xué)特性。1988年NIST測量結(jié)果的不確定度就優(yōu)于2×10-6，而近的測量結(jié)果的不確定度已優(yōu)于1×10-6。世界各地的科學(xué)家們也已開發(fā)出多種技術(shù)，包括測量其他氣體特性的技術(shù)。

　　NIST科學(xué)家Benz表示：“一定要使用多種*不同的方法進(jìn)行這種測量，而且對于每種方法也要進(jìn)行多次測量。”

　　其中一種*不同的方法是一種主要依靠電氣測量而非普通氣體的技術(shù)。該技術(shù)可測量電阻器中電子的隨機運動(即“噪聲”)的程度。這種“*噪聲”與電阻器中的電子溫度——以及玻爾茲曼常數(shù)成正比。過去，測量*噪聲的問題在于要以10-6量級的準(zhǔn)確度去測量微小電壓，而測量裝置本身的*噪聲就會讓這個問題更加嚴(yán)重。

　　為了解決這個問題，NIST的研究人員在1999年研發(fā)了一種“量子電壓噪聲源”(QVNS)，用來作為*噪聲測溫計(JNT)的電壓參考。QVNS使用一種名為約瑟夫森結(jié)的導(dǎo)器件提供自準(zhǔn)確的電壓信號，因為其特性基于的是量子力學(xué)原理。研究人員將QVNS信號與電阻器中電子的隨機運動產(chǎn)生的電壓噪聲進(jìn)行比較，通過這種方式，研究人員就可以準(zhǔn)確測量*噪聲和玻耳茲曼常數(shù)。

　　2011年，該團隊開始使用這種技術(shù)發(fā)布玻爾茲曼常數(shù)測量值并逐步改進(jìn)。與2011年的測量結(jié)果相比，新的NIST測量結(jié)果要更2.5倍，相對不確定度約為5×10-6。

　　根據(jù)Flowers-Jacobs的說法，準(zhǔn)確度的改進(jìn)得益于更好地屏蔽了實驗區(qū)域的雜散電子噪聲以及電子設(shè)備的升級。研究人員進(jìn)行了仔細(xì)的“互相關(guān)”分析，為了排除其他噪聲源的干擾，他們分別對*噪聲和量子電壓噪聲源進(jìn)行了兩組測量。其他有利因素還包括增大了電阻器的尺寸以獲得更大的*噪聲源，以及在兩組測量中對于不同測量通道間設(shè)置了更好的屏蔽。

　　NIST還為中國的玻爾茲曼測量提供了專業(yè)知識以及量子電壓噪聲源。得益于噪聲源的良好隔離，這次測量的相對不確定度為2.8×10-6，能滿足重新定義開爾文的第二個要求。這個新結(jié)果已發(fā)表于Metrologia刊物上。

　　這次測量是一個通力合作的項目，其中，德國也對*噪聲測溫技術(shù)進(jìn)行了研究，以傳播溫度測量的基標(biāo)準(zhǔn)。

　　NIST的*噪聲測溫計項目負(fù)責(zé)人Horst Rogalla表示：“在確定新的波爾茲曼常數(shù)值時，所有數(shù)據(jù)都會被涵蓋。重要的一點是重新定義開爾文的條件已經(jīng)實現(xiàn)了。”

　　除了新的SI，基于*測溫計的器件或可直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，包括核反應(yīng)堆。目前，我們正在用它來定義開爾文，但之后我們會將它用作的測溫計。

NIST的“噪聲測溫計”提供了測量玻爾茲曼常數(shù)的新方法