Фізики Фінляндії і Японії винайшли новий тип електронного термометра, який співвідносить температуру безпосередньо з постійною Больцмана. Незважаючи на те, що це не перший такий прилад, команда розробників заявляє, що їх термометр можна легко поставити на потік серійного виробництва і тому він може використовуватися як надточної лабораторного приладу відповідно до калібрувальним стандартом.
Поточне значення одиниці абсолютної температури на даний момент визначено з великою похибкою. Міжнародний комітет ваг і мір (CIPM), Париж, визначає значення Кельвіна як 1/273.16 частку температурної різниці між абсолютним нулем та потрійною точкою чистої води (приблизно 0 ° С) в умовах певного тиску. Однак CIPM волів би визначати значення Кельвіна, так само, як і інші одиниці в СІ, в термінах фундаментальних констант - температуру, наприклад, у постійній Больцмана.
В результаті команди фізиків усього світу придумують методики, які можуть співвіднести температуру безпосередньо з постійною Больцмана. Новітню - «термометр одного з` єднання »(SJT)-запропонував Юкка Пекола спільно з колегами з гельсінської університету.
Зміни в блокаді Кулона
Їх методика заснована на зміни в термометрії блокади Кулона (CBT), винайденої паном Пекола десять років тому і в даний час використовується в деяких комерційних пристроях. CBT заснована на твердженні, що електрична провідність безлічі тунельних сполук - крихітних ізольованих частинок, затиснутих між двома металевими - змінюється разом з температурою.
У той час, як CBT виконується при температурах вище 1 Кельвіна (1 К), малі зміни в електронних властивостях індивідуальних сполук у результаті дають неприйнятно велику погрішність виміру при дуже низьких температурах.
Зараз Пекола і його колеги повернулися до вирішення проблеми, розміщуючи сукупність тунельних з'єднань таким чином, щоб провідність залежала від властивостей тільки одного з `єднання.
Тунельні з'єднання створюються в умовах, коли дуже тонкий шар оксиду алюмінію росте на поверхні алюмінієвих електродів мікрометровой товщини. Один з електродів випадає в осад, в результаті чого утворюються частинки ізольованого металу - металеві з'єднання, через які електрони проходять як по тунелю.
Зниження провідності
Підключаючи до електродів напругу, ми змушуємо електричний струм текти крізь з'єднання. Величина струму залежить від кількості електронів, які можуть осісти на аноді: чим більше електронів будуть здатні пройти крізь тунель, тим більше буде провідність. При напрузі вище 0,4 мВ їх кількість обмежена кулоновим відштовхуванням між електронами - простежується тенденція скорочувати кількість - і теплової енергії електронів, що має зворотну тенденцію. В результаті при таких напругах провідність перестала змінюватися.
Однак при меншій напрузі провідність знижується дуже швидко, поки не досягає мінімуму в 0 Вольт (0 В), після чого підвищується знову з виникненням негативного напруги. Різке зниження провідності відбувається з-за низьких напруг, з'єднання починає вести себе як конденсатор, з кількістю електронів, які можуть осісти на електроді, пропорційно застосованого напрузі, так само як і теплова енергія.
Робота при малих значеннях температури (нижче 150 мК)
Згідно Пекола, ширина травильного розчину (який може бути виміряна скануванням застосовуваного напруги і вимірюванням струму, що проходить через з'єднання) прямо пропорційна постійної Больцмана, помноженої на температуру. Вчені виміряли ширину при різних діапазонах температур (найнижче значення - близько 140-150 мК) і підтвердили, що ширина прямо пропорційна температурі.
Крім виведення способу вираження температури в термінах постійної Больцмана, Пекола повідомив, що пристрій легко проводити в серійних обсягах, і тому можна сформувати основу нової системи термометрії для використання в низькотемпературних лабораторіях.
Сем Бенз, експерт з термометрії зі США, розповів, що команда під керівництвом Юкка Пекола справила «цікаву експериментальну демонстрацію першого електронного термометра, який може виявитися корисним при низьких температурах».
Пекола заявив, що команда може комерціалізувати технологію для використання в електронних термометрах, однак поки ще є ряд спірних моментів, які необхідно вирішити. Приміром, він підкреслив, що їх пристрої SJT не пристосовані для якогось певного діапазону температур, а без цього їх корисність в лабораторії поки сумнівна. Для вимірювання температури нижче 150 мК, наприклад, з'єднання електродів повинні бути виготовлені з відносно великим перетином, щоб гарантувати, що вони будуть перебувати в тепловій рівновазі з середовищем.