Новый термометр может помочь более точно измерить температуру

Физики Финляндии и Японии изобрели новый тип электронного термометра, который соотносит температуру непосредственно с постоянной Больцмана. Несмотря на то, что это не первый такой прибор, команда разработчиков заявляет, что их термометр можно легко поставить на поток серийного производства и поэтому он может использоваться в качестве сверхточного лабораторного прибора в соответствии с калибровочным стандартом.

Текущее значение единицы абсолютной температуры на настоящий момент определено с большой погрешностью. Международный комитет весов и мер (CIPM) определяет значение Кельвина как 1/273.16 долю температурной разницы между абсолютным нулем и тройной точкой чистой воды (примерно 0°С) в условиях определенного давления. Однако CIPM предпочел бы определять значение Кельвина, так же, как и иные единицы в СИ, в терминах фундаментальных констант – температуру, например, в постоянной Больцмана.

В результате команды физиков всего мира придумывают методики, которые могут соотнести температуру непосредственно с постоянной Больцмана. Новейшую – «термометрию одного соединения» (SJT) –предложил Юкка Пекола совместно с коллегами из хельсинского университета.

Изменения в блокаде Кулона

Их методика основана на изменениях в термометрии блокады Кулона (CBT), изобретенной господином Пекола десять лет назад и в настоящее время используемой в некоторых коммерческих устройствах. CBT основана на утверждении, что электрическая проводимость множества туннельных соединений – крошечных изолированных частиц, зажатых между двумя металлическими – меняется вместе с температурой.

В то время, как CBT выполняется при температурах выше 1 Кельвина (1 К), малые изменения в электронных свойствах индивидуальных соединений в результате дают неприемлемо большую погрешность измерения при очень низких температурах.

Сейчас Пекола и его коллеги вернулись к решению проблемы, помещая совокупность туннельных соединений таким образом, чтобы проводимость зависела от свойств только одного соединения.

Туннельные соединения создаются в условиях, когда очень тонкий слой оксида алюминия растет на поверхности алюминиевых электродов микрометровой толщины. Один из электродов выпадает в осадок, в результате чего образуются частицы изолированного металла – металлические соединения, через которые электроны проходят как по туннелю.

Снижение проводимости

Подключая к электродам напряжение, мы заставляем электрический ток течь сквозь соединения. Величина тока зависит от количества электронов, которые могут осесть на аноде: чем больше электронов будут способны пройти сквозь туннель, тем больше будет проводимость. При напряжении выше 0,4 мВ их количество ограничено кулоновым отталкиванием между электронами – прослеживается тенденция сокращать количество – и тепловой энергией электронов, которая имеет обратную тенденцию. В результате при таких напряжениях проводимость перестала изменяться.

Однако при меньшем напряжении проводимость снижается очень быстро, пока не достигает минимума в 0 Вольт (0 В), после чего повышается вновь с возникновением отрицательного напряжения. Резкое снижение проводимости происходит из-за низких напряжений, соединение начинает вести себя как конденсатор, с количеством электронов, которые могут осесть на электроде, пропорционально примененному напряжению, так же как и тепловая энергия.

Работа при малых значениях температуры (ниже 150 мК)

Согласно Пекола, ширина травильного раствора (который может быть измерен сканированием применяемого напряжения и измерением тока, проходящего через соединение) прямо пропорциональна постоянной Больцмана, умноженной на температуру. Ученые измерили ширину при разных диапазонах температур (самое низкое значение – порядка 140-150 мК) и подтвердили, что ширина прямо пропорциональна температуре.

Помимо вывода способа выражения температуры в терминах постоянной Больцмана, Пекола сообщил, что устройство легко производить в серийных объемах, и потому можно сформировать основу новой системы термометрии для использования в низкотемпературных лабораториях.

Сэм Бенз, эксперт по термометрии из США, рассказал, что команда под руководством Юкка Пекола произвела „любопытную экспериментальную демонстрацию первого электронного термометра, который может оказаться полезным при низких температурах“.

Пекола заявил, что команда может коммерциализировать технологию для использования в электронных термометрах, однако пока еще есть ряд спорных моментов, которые необходимо разрешить. К примеру, он подчеркнул, что их устройства SJT не приспособлены для какого-то определенного диапазона температур, а без этого их полезность в лаборатории пока сомнительна. Для измерения температуры ниже 150 мК, например, соединения электродов должны быть изготовлены с относительно большим сечением, чтобы гарантировать, что они будут находиться в тепловом равновесии со средой.

Перевод: Георгий Белых

04.12.2008