NIST的“噪聲測溫計”提供了測量玻爾茲曼常數的新方法

新的結果對上重新定義溫度測量單位做出了貢獻。

　　該量子電壓噪聲源(QVNS)所生成的自準確電壓信號可以與電阻器中電子產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，而該常數可將系統的能量與溫度聯系起來。

　　Credit: Dan Schmidt/NIST

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

　　準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重要的，比如鋼鐵生產。而這對于核電反應堆也更加重要，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研究小組負責人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確度還不到定義質量單位和電單位的測量值的1/100。”千克的準確度是10-9量級，而開爾文的準確度僅僅是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來定義測量單位，而是基于自然常數，比如玻爾茲曼常數，這個常數根本上取決于量子力學，而量子力學是描述原子尺度上物質和能量的理論。

　　為了定義開爾文，科學家們的常規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，水中的化學雜質會慢慢降低玻璃皿的溫度。由于存在不同的水同位素(即質子數量相同但中子數量不同)，研究人員還必須進行修正。并且在高于或水的三相點溫度下的測量結果，本質上是不夠的。

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

　　由于玻爾茲曼常數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責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的方法。的方法仍然是測量氣體的聲學特性。1988年NIST測量結果的不確定度就優于2×10-6，而近的測量結果的不確定度已優于1×10-6。世界各地的科學家們也已開發出多種技術，包括測量其他氣體特性的技術。

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

　　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。該技術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——以及玻爾茲曼常數成正比。過去，測量*噪聲的問題在于要以10-6量級的準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重。

　　為了解決這個問題，NIST的研究人員在1999年研發了一種“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的導器件提供自準確的電壓信號，因為其特性基于的是量子力學原理。研究人員將QVNS信號與電阻器中電子的隨機運動產生的電壓噪聲進行比較，通過這種方式，研究人員就可以準確測量*噪聲和玻耳茲曼常數。

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

　　根據Flowers-Jacobs的說法，準確度的改進得益于更好地屏蔽了實驗區域的雜散電子噪聲以及電子設備的升級。研究人員進行了仔細的“互相關”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置了更好的屏蔽。

　　NIST還為中國的玻爾茲曼測量提供了專業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。這個新結果已發表于Metrologia刊物上。

　　這次測量是一個通力合作的項目，其中，德國也對*噪聲測溫技術進行了研究，以傳播溫度測量的基標準。

　　NIST的*噪聲測溫計項目負責人Horst Rogalla表示：“在確定新的波爾茲曼常數值時，所有數據都會被涵蓋。重要的一點是重新定義開爾文的條件已經實現了。”

　　除了新的SI，基于*測溫計的器件或可直接應用于工業領域，包括核反應堆。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的新方法